Цементирование скважин

     Введение

     Устье скважины не может удерживать вес  тысяч фунтов обсадных труб. Начиная  с определенного места, обсадную трубу для дополнительной стабильности закрепляют на стенке ствола скважины. Для этого ее цементируют.

     При креплении скважин стальными, асбестоцементными  трубами затрубное пространство обязательно цементируют. Это повышает прочность конструкции скважин  и исключает связь отдельных  водоносных горизонтов, вскрытых скважиной. Последнее обстоятельство имеет  особое значение, так как предотвращает  истощение и загрязнение подземных  вод. Кроме того, цементное кольцо изолирует обсадную колонну от корродирующего влияния подземных вод.

     Цементирование  является важным технологическим процессом, от которого зависит дебит скважины. Методы, способы цементирования напрямую зависят от геологических условий  пласта, технологии эксплуатации.

     Все способы цементирования имеют одну цель — вытеснить буровой раствор  тампонажным из затрубного пространства скважины и поднять последний  на заданную высоту. В результате этого  предотвращается возможность движения любой жидкости или газа из одного пласта в другой через заколонное пространство, обеспечивается длительная изоляция продуктивных объектов от посторонних  вод, укрепляются неустойчивые, склонные к обвалам и осыпям породы, обсадная колонна предохраняется от коррозии пластовыми водами и повышается ее несущая способность. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1 Контроль процесса цементирования скважины. Параметры цементирования. Цементирование скважин. Виды цементирования скважин.

     Все способы цементирования имеют одну цель — вытеснить буровой раствор  тампонажным из затрубного пространства скважины и поднять последний  на заданную высоту. В результате этого  предотвращается возможность движения любой жидкости или газа из одного пласта в другой через заколонное пространство, обеспечивается длительная изоляция продуктивных объектов от посторонних вод, укрепляются неустойчивые, склонные к обвалам и осыпям породы, обсадная колонна предохраняется от коррозии пластовыми водами и повышается ее несущая способность.

     Весь  комплекс работ, связанных с замещением бурового раствора цементным (тампонажным), называется цементированием скважины или обсадной колонны; сюда же входят ожидание затвердения цементного раствора (ОЗЦ) и период формирования цементного камня. Существует несколько методов цементирования. Из них наиболее распространен метод прямого цементирования, применяемый с некоторыми вариациями и изменениями с начала прошлого века (Перкинс, А. Богушевский).

     Важность  качественного цементирования обусловлена  тем, что это заключительный этап строительства скважин, поэтому неудачи при его выполнении могут свести к минимуму ожидаемый эффект, стать причиной неправильной оценки перспективности разведываемых площадей, появления «новых» залежей нефти и, особенно, газа в коллекторах, перетоков флюидов, грифонообразования, газопроявлений и т.д. Стоимость скважин, особенно глубоких, высока, а ущерб от некачественного их крепления может быть еще большим. Процесс цементирования скважин — операция необратимая, ремонт и восстановление их связаны со значительными затратами средств и времени.

     Цементный раствор поступает в заколонное пространство, замещая находящийся  там буровой раствор, и затвердевает в камень.

     Назначение  и функции, выполняемые цементным  камнем, многообразны.

     1. Разобщение пластов, их изоляции, т.е. образование в стволе безуса 
дочного тампона, внутреннюю часть которого составляет колонна обсадных 
труб. Важным условием является равномерная толщина цементного камня 
со всех сторон. Размеры кольцевого зазора (т.е. толщина цементного коль 
ца) не определяют качества разобщения пластов, однако влияют на форми 
рование цементного камня или предопределяют его отсутствие.

     2.      Удержание обсадной колонны от всевозможных перемещений; про 
седания под действием  собственного  веса,  температурных деформаций, 
деформаций  вследствие  возникновения  перепадов  давления  в  колонне, 
ударных нагрузок, вращений и т.д.

     3.      Защита обсадной колонны от действия коррозионной среды.

     4.      Повышение работоспособности обсадной колонны с увеличением 
сопротивляемости повышенным (против паспортных данных) внешнему и 
внутреннему   давлениям.   Естественно,   цементное   кольцо   должно   быть 
сплошным и иметь при этом определенную физико-механическую харак 
теристику.

     5.      Сплошное цементное кольцо, приобретая в процессе формирования 
камня способность к адгезии (цементный камень сцепляется с металлом 
труб,   образуя   интерметаллический   слой),   создает   предпосылки   к   еще 
большему повышению сопротивляемости высоким внешним и внутренним 
давлениям.

     Краткосрочность операции цементирования скважин не делает ее менее значимой, хотя может быть причиной недостаточного внимания к ее выполнению.

     Эксплуатация  скважин требует устойчивой работы крепи, что обеспечивается формированием цементного камня вдоль ствола и заполнением им всего заколонного пространства, соответствием свойств камня (и всей крепи) требованиям, обусловленным внешними воздействиями (нагрузки, коррозия и т.д.). Количественно оценить все факторы сложно, что объясняется скудностью исследовательского материала, сложностью моделирования процессов и сложностью получения достоверных результатов. Основные трудности при этом заключаются в отсутствии информации (почти полное) об условиях, в которых предстоит формироваться цементному камню, и о свойствах материала, который образуется в скважине в результате замещения им бурового раствора.

     Профиль ствола в азимут каждой его точки, расположение, глубина, форма и перемежаемость горных пород, состояние бурового раствора, степень его «защемленности», размеры зон «защемленности», возникновение «центров» движения бурового раствора, толщина фильтрационной корки, размеры зон смешения бурового и тампонажного растворов, концентрация растворов по сечениям, а также события на границах — у стенок скважины и обсадной колонны — явления случайные. Случайным является и сам факт качественного или некачественного разобщения пластов.

     Цементирование  скважин должно быть скорее некачественным, так как за один цикл закачки цементного раствора при принятой технологии невозможно добиться полного вытеснения бурового раствора без специальных мероприятий. Поэтому к качеству цементирования надо подходить как к явлению случайному и делать все возможное для его повышения. Работоспособность цементного камня также определяется рядом случайных событий.

     Необходимо  с начала бурения управлять процессами формирования ствола скважины, приближать его конфигурацию к «идеальному» цилиндру, создавать будущие условия работы цементного камня с учетом максимального срока безаварийной эксплуатации скважин и обеспечения охраны недр. Зачастую ствол получается таким, что заведомо может гарантировать только некачественное цементирование вследствие создания такой конфигурации и такого профиля ствола, из которого полное вытеснение бурового раствора невозможно.

     Негативным  фактором является отсутствие (иногда полное) информации о состоянии цементного камня в скважине. Используемые приборы фиксируют не качество цементирования, полноту вытеснения бурового раствора цементным, отсутствие или наличие каналов в цементном растворе-камне, а некоторую разность плотностей растворов и камня на их границах, наличие или отсутствие контакта колонны (и только!) с цементным камнем — и все это неповторяемо, непостоянно и неоднозначно.

     Высокое качество цементирования любых скважин включает два понятия: герметичность обсадной колонны и герметичность цементного кольца за колонной.

     Качество  цементирования скважин в настоящее  время определяется неоднозначно, а  соответствующие методы оценки порой  дают противоречивые и взаимоисключающие результаты.

     Высокое качество цементирования скважин (результат  работы) следует отличать от успешного  проведения процесса цементирования. Этот процесс может быть выполнен успешно, а качество цементирования останется низким. Известны случаи, когда операция завершалась при чрезмерно больших давлениях или в ходе ее отмечались поглощения либо другие осложнения, однако качество цементирования было высоким.

     Для обеспечения герметичности при  наличии тампонажных растворов  высокого качества необходимо создать  контакт безусадочного цементного камня, обсадной трубы и стенки скважины. В процессе цементирования не должно быть гидроразрыва пластов.

     В обеспечении герметичности скважин одно из центральных мест занимает технология цементирования.

     Под технологией цементирования нефтяных и газовых скважин следует понимать соблюдение выработанных норм и правил работы с целью наиболее полного заполнения заколонного пространства скважины тампонажным раствором определенного качества (взамен бурового) на заданном участке и обеспечения контакта цементного раствора-камня с поверхностью обсадной колонны и стенкой скважины при сохранении целостности пластов.

     Технологический процесс цементирования определяется геологическими, технологическими и субъективными факторами. При анализе влияния различных факторов на качество цементирования скважин субъективный фактор может не рассматриваться, так как предполагается, что операторы имеют необходимую квалификацию и нарушений в проведении технологического процесса нет.

     Технологические факторы необходимо совершенствовать, однако не все из них могут быть изменены. Геологические факторы  следует тщательно изучать и учитывать при назначении определенных параметров технологического процесса. Например, склонность пород к гидроразрыву необходимо брать за основу при назначении высоты подъема тампонажного раствора, изменении его плотности и обеспечении скорости движения растворов в заколонном пространстве.

     Большинство технико-технологических факторов управляемые. Во всех случаях следует  стремиться к тому, чтобы все режимные параметры оказывали воздействие  на процесс цементирования для обеспечения  полного замещения бурового раствора тампонажным. Важное значение при этом имеют состояние ствола скважины, его чистота, конструкция скважины, геометрия заколонного пространства и его гидродинамическая характеристика. На практике качественное цементирование скважин достигается с большим трудом, если ему не уделено должное внимание еще в процессе бурения, т.е. при формировании ствола. Ускоренная проводка скважин без одновременного учета требований для последующего качественного цементирования приводит к заведомо некачественному разобщению пластов.

     К отличительным особенностям цементирования скважин относятся:

     использование техники, которая позволяет цементировать  скважины на достаточно высоком уровне;

     разнообразие  применяемых способов цементирования (сплошное, двухступенчатое, секциями, обратное и др.);

     широкий ассортимент специальных тампонажных цементов, позволяющий охватить практически все геолого-физические условия скважин.

     Как показывает опыт крепления скважин  у нас в стране и за рубежом, повысить качество разобщения пластов можно, применяя комплекс мероприятий технического характера и усовершенствуя технологию цементирования, а не изыскивая «универсальные» способы цементирования.

     В настоящее время изучено значительное число факторов, определяющих качество цементирования скважин. К основным из них относятся те, которые обеспечивают контактирование тампонажного раствора с породами и обсадной колонной при наиболее полном вытеснении бурового раствора тампонажным с заданными свойствами и наименьших затратах средств и времени:

     1) сроки схватывания и время  загустевания тампонажного раствора, 
его реологическая характеристика, седиментационная устойчивость, водоотдача и другие свойства;

     2)     совместимость и взаимосвязь свойств буровых и тампонажных растворов;

     3)     режим движения буровых и тампонажных растворов в заколонном 
пространстве;

     4)     объем закачиваемого тампонажного раствора, время его контакта со 
стенкой скважины;

     5)     качество и количество буферной жидкости;

     6)     режим расхаживания колонны в процессе цементирования;

     7)     применение скребков;

     8)     центрирование колонны;

     9)   использование  элементов  автоматизации,  приспособлений и устройств для повышения качества цементирования.

     При проведении цементировочных работ  необходимо учитывать, что применение одного мероприятия требует осуществления  или изменения другого. Так, очищение стенок скважины от глинистой корки скребками при расхаживании обсадных колонн в большинстве случаев не может быть выполнено без обработки используемых тампонажных растворов для снижения показателя фильтрации и т.д.