Гидравлика цементирования обсадных колонн

Осложнения при цементировании и их решение

Конечной целью цементирования обсадных колонн является полное разобщение между собой пластов вскрытых скважиной. Для этого в затрубном пространстве буровой раствор должен быть по возможности полностью замещен качественным цементным раствором.

Гидравлика процесс заливки цементного раствора осложнена тем, что движение, в котором отдельные его элементы в данной точке изменяются со временем. Такими элементами являются скорость, ускорение и давление. Действительно, в процессе участвуют несколько жидкостей разной плотности и разного объема, то в некоторый момент времени при высоте столба цементного раствора z происходит его отрыв.

Для определения момента отрыва столба цементного раствора напишем уравнение равновесия:

где v - скорость потока в трубах;

t - время, прошедшее с начала заливки до момента отрыва столба цементного раствора ;

Уи и ур- соответственно плотности цементного и бурового раствора; рц и рр - соответственно давления на преодоление сопротивления при движении цементного и бурового раствора; ро - давления упругости паров и атмосферы.

С помощью этого уравнения практически невозможно определить искомую величину, не используя метод подбора.

С момента отрыва столба раствора последний начинает двигаться вниз с некоторым ускорением, и движущей силой в этом случае является все увеличивающейся столб цементного раствора. Максимальная скорость всего потока достигнет в тот момент, когда цементный раствор начнет поступать в затрубное пространство скважины. Высокая скорость может иметь место еще какое-то время, но по мере выравнивания гидростатических столбов в трубном и затрубном пространствах, скорость потоков начнет соответствовать подачи насосов.

Принятый режим закачки буферных жидкостей, цементных растворов и, наконец, продавочной жидкости, не должен позволить допустить превышения гидродинамического давления движущего потока над давлением поглощения всех вскрытых пластов или не допустить снижения гидродинамического давления против пластового давления тех же пластов (например, из-за больших объемов более легкой буферной жидкости). Принятый кусочный метод расчета процесса цементирования скважин не позволяет учесть и поддерживать необходимую безопасную разницу между гидродинамическим давлением движущих жидкостей и давлением поглощения (или давлением гидроразрыва пласта) и пластовым давлением.

Именно, этот кусочный расчет, нередко является причиной недоподъема столба цементного раствора до проектной величины или не управляемого притока пусть и не большого объема пластового флюида с последующим более серьезным развитием возникшего осложнения.

Повседневные практические расчеты на производство цементировочных работ не включают определение степени вытеснения бурового раствора и полного заполнения затрубного пространства цементным раствором. Рабочие планы не предусматривают расчётов объема смешения бурового раствора с буферной жидкостью, буферной жидкости с цементным растворам и установовления место окончательного расположения смеси в затрубном пространстве.

Между тем, одной из двух основных причин возникновения межтрубных проявлений и межпластовых перетоков является неполное вытеснение бурового раствора на большой длине.

Проф. Булатов А.И. в статье (13) представил результаты натурных работ своих и многочисленны исследователей по обследованию состояния заколон- ного пространства на скважинах, пробуренных и зацементированных в разное время, в разных регионах и условиях. Он отмечает, что практически везде нет сплошного цементного кольца; на всей длине зацементированного пространства отмечены интервалы с не вытесненным буровым раствором; во многих местах отсутствует контакт цементного камня с породой и обсадной трубой.

Работы по довинчиванию колонн с целью ликвидации пропусков газа и нефти с трубного пространства в затрубное пространство показали, что обсадные колонны вращаются в зоне цементного кольца, чего не должно быть. Но возможность вращения обсадной колонны в зацементированном пространстве скважины можно объяснять только полным или почти полным отсутствием цементного камня на значительных участках заколонного пространства, наличием на больших площадях, примыкающих к колонне коагулированной массы бурового раствора.

Первые экспериментальные исследования, на которые уже почти 70 лет ссылаются все, кто пытался понять, что является значимым фактором в вопросе вытеснения одной жидкости другой, ссылаются на работу Г. Ховарда и И. Кларка, опубликованную в 1948 году в журнале Oil a Gas J. Опыты проводились на установке, состоящей из 127 мм скважины и 63мм колонны. Исследования показали, что при структурном режиме объем бурового раствора, остающегося в скважине при вытеснении его цементным, с увеличением скорости течения увеличивается до некоторого максимума, составляющего около 50% от объема скважины, а затем с увеличение скорости течения только при возникновении турбулентности объем оставшегося раствора уменьшается до 5% и даже до 2%.

Согласно теории вытеснения, полное замещение одной жидкости другой возможно лишь через бесконечно большой промежуток времени. Это объясняется тем, что скорости течения около стенок и в непосредственной близости к ним весьма малы и близки к нулю, в то время как в центральной части потока они велики.

Поскольку длина установки Г. Ховарда и И. Кларка небольшая и время вытеснения весьма небольшое, то соответственно при структурном режиме вытеснения не удавалось поднять выше 50% объем вытесненного бурового раствора.

Полнота вытеснения бурового раствора цементным характеризуется коэффициентом вытеснения кв - отношением объема вытесненного бурового раствора Л V (или закаченного цементного раствора) к полному объему V скважины (с учетом объема труб на высоте подъема цементного раствора).

Исследования на стендовой скважине №1 Мартанская, выполненные под руководством М.О. Ашрафьяна и А.И. Булатова /14,15/, показали, что в условиях обсаженного ствола коэффициент вытеснения бурового раствора изменяется в пределах кв > 0,68 - 0,98. Здесь надо сказать о скважине, на которой проводились исследования. Скважина №1 Мартанская была пробурена на глубину 4001 м и ликвидирована по геологическим причинам. В обсадной 273 мм колонне установили цементный мост. Первые исследования проводили после спущенной 146 мм колонны на глубину 748 м, а затем в нее спустили 73мм. Таким образом, эксперименты проходили в реальной скважине. Время прохождения цементного раствора по затрубному пространству вполне соответствовало промысловым - от 5,7 до 78 мин.

Исследованиями В.А. Луночкина и М.О. Ашрафьяна /14/ при цементировании 38 скважин установлено, что коэффициент вытеснения бурового раствора колеблется от 0,5 до 0,96, и в среднем в скважинах с открытым стволом составил 0,77, а в скважинах с обсаженным стволом - 0,86.

Сделан вывод, что в затрубном пространстве необсаженных скважин остается ~ 25%, а в обсаженных ~ 14,5% объема бурового раствора. Это конечно много, поэтому на некоторых из этих скважинах со временем в межтрубном пространстве на манометрах появилось избыточное давление, которое периодически стравливалось, а в затрубное закачивалось некоторый объем бентонитового раствора.

Немало важный факт, влияющий отрицательно на полноту вытеснения бурового раствора цементным, является наличие эксцентрично расположенной обсадной колонны в стволе пробуренной скважины.

Итак, важно расположить колонну так, чтобы эксцентриситет был минимальным (невозможно иметь строгое концентричное кольцо); надо иметь турбулентный режим движения цементного раствора. В этом случае возможно полное вытеснение бурового раствора на всей длине запланированного интервала.

Но турбулентный режим только за счет скорости потока и реологических параметров цементного раствора во многих случаях не достижим. Потому что есть ограничения по давлению поглощения цементного раствора. Поскольку

103

при цементировании имеет место неустановившийся поток - скорость меняется от максимальной величины, зависящий от разности плотностей цементного и бурового растворов и объема цементного раствора.

На примере наиболее характерной по геолого-технологическим условиям скважине с помощью компьютерной программы «Гидравлика цементирования» Свидетельство РОСПАТЕНТа №2002611702 рассмотрим, как изменяются основные наиболее характерные показатели процесса цементирования эксплуатационной 146мм колонны, спущенной на глубину 3287м в скважине с зенитным углом 24° и с углом 7° при входе в продуктивный пласт. Закачивали тампонаж- ный раствор: первая порция плотностью 1500 кг/м с высотой подъёма 1500 м,

•5

а вторая порция плотностью 1890 кг/м с высотой подъёма до 2500 м. Плот- ность бурового раствора и продавочной жидкости 1280 кг/м .

На рис.7.1 показано как изменяется скорость движения жидкостей разной плотности с изменяющейся массой. Совершенно очевидно, что скорость потока цементного раствора в затрубном пространстве меняется от максимально возможного до минимального значения, пока не наступит равновесие в гидростатических столбах трубного и затрубного пространств, и только после этого скорость потока будет соответствовать объемной скорости подачи насосов.

График скорости закачки насосных агрегатов и скорости движения жидкостей разной плотности с изменяющейся массой

Рис. 7.1. График скорости закачки насосных агрегатов и скорости движения жидкостей разной плотности с изменяющейся массой

На рис. 7.2 показано положение уровня закачиваемого тампонажного раствора в трубах.

Г рафик положения уровня цементного раствора в трубах

Рис. 7.2. Г рафик положения уровня цементного раствора в трубах

Падение уровня и вместе с ним снижение давления на насосах до нуля начинается на тридцатой минуте в данном конкретном примере, и оно продолжается даже тогда, когда часть цементного раствора уже стала поступать в затрубное пространство, и уровень 900 м отметки. Одновременно со снижением уровня тампонажного раствора начинает возрастать скорость потока в затрубном пространстве и достигает 27 л/с при подачи насосных агрегатов 15 л/с. Затем скорость стремительно снижается до нуля на время зарядки продавочной пробки. После начала закачки продавочной жидкости восстанавливается поток в затрубном пространстве, но скорость его существенно ниже скорости подачи насосов. И только, когда до окончания продавки остается 10 мин., скорость закачиваемой жидкости сравнивается со скоростью потока в затрубном пространстве.

На рис. 7.3 показано как изменяется давление на глубинах 2200 м и 3200 м. Давление на этих глубинах растет за счёт увеличения скорости потока в кольце.

Характерно, на глубине 2200м с увеличением скорости потока давление возросло от 240 до 300 кгс/ см2. О превышении давления на любой глубине давления гидроразрыва сигнализирует компьютерная программа.

График давлений на глубинах 2600 и 3200 м

Рис. 7.3. График давлений на глубинах 2600 и 3200 м

Технологический комплекс мероприятий, направленный на получение высококачественной крепи между стенками скважины и обсадной колонны, достаточно велик и обусловлен, в первую очередь, предупреждением поглощения тампонажного раствора во время его закачки и заколонных проявлений на длительный период времени. И то и другое определяется соотношением пластовых давлений и давлений гидроразрыва пластов в открытом стволе скважины при изменяющемся гидростатическом давлении в заколонном пространстве. Поскольку, первые две величины заданы геологическим временем и, естественно, не поддаются управлению. Поэтому управление процессом достигается разработкой технологических мероприятий, направленных на поддержании на соответствующем уровне, изменяющихся во времени гидростатических и гидродинамических давлений столбов тампонажного и бурового растворов.

Для предотвращения поглощения или проявления в период закачивания тампонажного раствора, принято, что суммарное давление гидростатических столбов закачиваемых жидкостей превышает пластовое давление, но не превышает 95% давления гидроразрыва (поглощения) всех пластов в открытом стволе. С этой целью:

  • • выбирается плотность тампонирующих составов;
  • • способ цементирования;
  • • темп закачки и продавливания с учётом устанавливаемой технологической оснастки обсадных колонн и режимов её расхаживания.

Исследования количественных характеристик процесса цементирования обсадных колонн, позволили разработать методику и программу для определения:

  • - высоты подъёма цементного раствора над каждым продуктивным горизонтом и башмаком предыдущей обсадной колонны;
  • - гидродинамических характеристик процесса цементирования (подачи, давления на цементировочных насосах, режима движения жидкостей в кольцевом пространстве, забойного давлении и давления против открытых пластов, глубины опорожнения обсадной колонны);
  • - скорости движения жидкостей в кольцевом пространстве скважины с изменяющейся массой;
  • - взаимосвязи между скоростью потока в кольцевом канале и величиной эксцентриситета для обеспечения вытеснения бурового раствора из узкого зазора;
  • - параметров тампонажного раствора (плотности, реологических свойств, водоотдачи, водоотделении, сроков загустевания);
  • - объёмов буферной жидкости, тампонажных растворов и материалов для их приготовления;
  • - способов цементирования и места установки устройств и технологической оснастки.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >