Цементирование обсадной колонны скважины и тампонаж

Цементирование обсадной колонны - одна из самых ответственных операций, от успешности которой зависит долговечность и дальнейшая нормальная эксплуатация скважины.
Цементирование - закрепление обсадной колонны на стенке ствола скважины и отсечение избыточных флюидов от попадания в ствол скважины посредством нагнетания цементного раствора по обсадной трубе и вверх по кольцевому зазору.
Это процесс закачивания тампонажного раствора в пространство между обсадной колонной и стенкой скважины.
Способ цементирования выбирают в зависимости от вида колонны, спущенной в пробуренный ствол (сплошной или хвостовика).

Крепление скважин осуществляется для разобщения нефтегазоносных пластов от всех вышележащих с обязательным одновременным разобщением нефтесодержащих и газосодержащих пластов друг от друга и защиты обсадных труб от корродирующего действия минерализованных вод, циркулирующих в недрах.
Поэтому спущенные в скважину обсадные колонны должны быть зацементированы путем закачки тампонажного материала в кольцевое пространство между стенками скважины и обсадной колонны.

Существует ряд методов цементирования скважин.

• 1- и 2-ступенчатое цементирование,
• манжетное цементирование,
• цементирование хвостовиков,
• цементирование под давлением.

В зависимости от условий залегания нефтяных или газовых пластов, степени их насыщенности, литологического состава, проницаемости применяют тот или иной метод цементирования скважины.



Рис. Схема этапов выполнения 1- циклового цементирования обсадной колонны:
I - начало подачи цементного раствора в скважину,
II - подача закачанной порции цементного раствора по обсадной колонне,
III - начало продавки в затрубное пространство, IV - окончание продавки;
1 - манометр, 2 - цементировочная головка, 3 - верхняя пробка, 4 - нижняя пробка, 5 - цементируемая обсадная колонна, 6 - стенки скважины, 7 - стоп-кольцо, 8 - продавочная жидкость, 9 - буровой раствор, 10 - цементный раствор.

Одноступенчатое цементирование.
После окончания спуска сплошной эксплуатационной колонны в процессе подготовки скважины к цементированию:

• колонну обсадных труб периодически расхаживают,
• непрерывно промывают скважину для предотвращения прихвата колонны,
• башмак ее устанавливают на 1-2 м выше забоя,
• устье оборудуют цементировочной головкой,
• закачивают расчетный объем цементного раствора.

Прокачав расчетное количество цементного раствора, отвинчивают стопорные болты на цементировочной головке и закачивают расчетное количество продавочного бурового раствора.
Как только заливочная (нижняя) пробка дойдет до упорного кольца - стоп, наблюдается резкий подъем давления, так называемый удар.
Давление повышается на 4 – 5 МПа.
Под его воздействием диафрагма, перекрывающая канал в нижней пробке, разрушится.
После разрушения диафрагмы раствору открывается путь в затрубное пространство.
Когда до окончания продавки остается 1 – 2 м³ продавочной жидкости, интенсивность подачи резко снижают.
Закачку прекращают, как только обе пробки (верхняя и нижняя) войдут в контакт, что определяется по резкому повышению давления на цементировочной головке.
В обсадной колонне под упорным кольцом остается некоторое количество раствора, образующего стакан высотой 15 – 20 м.
Если колонна оснащена обратным клапаном, можно приоткрыть краны на цементировочной головке и снизить давление.
На этом процесс цементирования заканчивается.
Краны на головке закрывают, и скважину оставляют в покое на срок, необходимый для твердения цементного раствора.
При цементировании неглубоких скважин с небольшим подъемом раствора за колонной в качестве продавочной жидкости применяют обычную воду.


Многоступенчатое цементирование
Многоступенчатое цементирование - цементирование нескольких горизонтов (интервалов) пласта за обсадной колонной скважины с использованием соединений с отверстиями.
При этом, обсадная колонна на разных уровнях оснащена дополнительными приспособлениями (заливочными муфтами), позволяющими подавать тампонажный раствор в затрубное пространство поинтервально на разной глубине.

Распространено 2-ступенчатое цементирование - раздельное последовательное цементирование 2^х интервалов в стволе скважины (нижнего и верхнего).

Преимущества в сравнении с 1 - ступенчатым:

• позволяет снизить гидростатическое давление на пласт при высоких уровнях подъема цемента,
• существенно увеличить высоту подъема цементного раствора в затрубном пространстве без значительного роста давления нагнетания;
• уменьшить загрязнение цементного раствора от смешения его с промывочной жидкостью в затрубном пространстве;
• избежать воздействия высоких температур на свойства цементного раствора, используемого в верхнем интервале, что позволяет эффективнее подбирать цементный раствор по условиям цементируемого интервала.

Рис. 2 Заливочная муфта для ступенчатого цементирования:
а - при цементировании первой ступени, б - при цементировании второй ступени;
1 - корпус, 2 - верхнее седло, 3 - верхняя втулка, 4 - заливочные отверстия, 5 - нижнее седло, 6 - нижняя втулка

Для проведения 2-ступенчатого цементирования в обсадной, колонне на уровне, соответствующем низу верхнего интервала, устанавливают специальную заливочную муфту (рис. 2).

Подготовку скважины аналогична 1- ступенчатому цементированию.
После промывки скважины и установки на колонну цементировочной головки приступают к закачке 1^й порции цементного раствора, соответствующей цементируемому объему 1^й ступени. Закачав нужный объем цементного раствора, в колонну вводят верхнюю пробку 1^й ступени, которая проходит через заливочную муфту (рис. 2, а).
Продавочной жидкостью вытесняют раствор в затрубное пространство.

После закачки объема продавочной жидкости, равного внутреннему объему обсадной колонны в интервале между заливочной муфтой и упорным кольцом, освобождают находящуюся в цементировочной головке нижнюю пробку 2^й ступени.
По достижении заливочной муфты, пробка садится во втулку, резко понижая давление нагнетания, но под давлением смещает ее вниз, открывая сквозные отверстия в муфте (рис. 2, б). .

При использовании способа непрерывного цементирования, тампонажный раствор для цементирования второй ступени закачивают тотчас за нижней пробкой второй ступени.
2-ступенчатое цементирование с разрывом - после открытия отверстий в заливочной муфте возобновляют циркуляцию бурового раствора, а тампонажный раствор 2^й ступени подают в скважину спустя некоторое время, к примеру, после схватывания раствора 1^й порции.

Цементирование хвостовика.
После промывки ствола скважины на устье ее устанавливают цементировочную головку, в которую вставляют верхнюю секцию разделительной заливочной пробки.
Закачивают расчетное количество цементного раствора, который продавливают буровым раствором или водой.
Когда раствор будет продавлен в объеме, равном внутреннему объему бурильных труб, верхняя секция пробки войдет в нижнюю и перекроет отверстия кольца.
При этом давление в бурильных трубах резко возрастет.
Шпильки, удерживающие нижнюю секцию в переводнике, срезаются, и обе секции, как одно целое, перемещаются вниз по хвостовику до резкого подъема давления.
После этого колонну необходимо посадить на забой, и путем вращения инструмента по часовой стрелке освободить бурильные трубы с переводником от хвостовика и вымыть излишек цементного раствора.
Через 16-20 часов следует определить высоту подъема цемента за колонной, оборудовать устье скважины, испытать колонну на герметичность и перфорировать в интервале продуктивного пласта.
Заключительный этап процесса восстановления скважины методом зарезки и бурения 2^го ствола - испытание эксплуатационной колонны на герметичность, перфорирование отверстий против продуктивного горизонта и освоение скважины (вызов притока нефти или газа из пласта).

Тампонаж
Тампонирование (цементирование) скважин - технологический процесс упрочнения затрубного пространства и обсадной колонны от разрушающего действия горных пород и грунтовых вод.
В процессе цементирования заданный интервал заполняется раствором вяжущих материалов (цемента), который в состоянии покоя превращается в прочный непроницаемый камень.
Используется специальный тампонажный цемент - модификацию портландце­мента с повышенными требованиями к минералогическому составу клинкера.
В состав цемента введены добавки, замедляющие его застывание.
Применение цементирования:

• изоляция друг от друга проницаемых пластов, вскрытых скважиной;
• установка цементных мостов, изолирующих нижнюю часть ствола скважины (например при забуривании нового ствола);
• удерживание в подвешенном состоянии обсадной колонны и герметизации заколонного пространства;
• изоляция поглощающих пластов, вскрытых скважиной в процессе бурения;
• защита обсадных труб от коррозии агрессивными пластовыми жидкостями и газами и др.

Технология цементирование включает 5 операций:

• приготовление тампонажного раствора,
• закачка приготовленного раствора в скважину,
• подача тампонажного раствора в затрубное пространство,
• ожидание затвердения закачанного вяжущего раствора,
• проверка качества цементировочных работ по утвержденной программе, обоснованной техническим расчетом.

Подготовительные операции:

• подбор тампонажного материала, рецептуры и свойств тампонажного раствора,
• определение режима закачки и продавки тампонажного раствора,
• определение суммарной продолжительности цементировочных работ,
• определение промежутка времени, необходимого для формирования в затрубном пространстве цементного камня с достаточной прочностью, позволяющей возобновить работы в скважине.

Способы цементирования:

• прямая схема подачи тампонажного раствора в затрубное пространство: раствор, закачанный внутрь цементируемой обсадной колонны, проходит по ней до башмака и затем поступает в затрубное пространство, распространяясь снизу вверх;
• обратная схема: тампонажный раствор с поверхности подают в затрубное пространство, по которому он перемещается вниз.

Цементирование скважин позволяет резко увеличить долговечность скважин и срок добычи безводной продукции.

Технология цементирования регламентируется:

• системой норм и правил выполнения цементировочных работ,
• типовыми схемами организации техпроцесса.

При цементировании необходимо учитывать конкретные факторы:

• конструкция и состояние ствола скважины,
• протяженность цементируемого интервала,
• горно-геологические условия,
• уровень оснащенности техническими средствами,
• опыт проведения цементировочных работ в районе.

Требования к технологии:

• цементирование предусмотренного интервала по всей его протяженности;
• полное замещение промывочной жидкости тампонажным раствором в пределах цементируемого интервала;
• предохранение тампонажного раствора от попадания в него промывочной жидкости;
• получение цементного камня с необходимыми механическими свойствами, с высокой стойкостью и низкой проницаемостью;
• обеспечение хорошего сцепления цементного камня с обсадной колонной и стенками скважины.

Наиболее полное замещение промывочной жидкости происходит при турбулентном режиме - 98%, худшие показатели - при структурном режиме - 42% .
Способы повышения полноты замещения промывочной жидкости:

• тщательное регулирование реологических свойств промывочной жидкости, заполняющей скважину перед цементированием, с целью снижения вязкости и статического напряжения сдвига до минимально допустимых значений;
• нагнетание тампонажного раствора в затрубное пространство со скоростями течения, обеспечивающими турбулентный режим;
• применение соответствующих буферных жидкостей на разделе промывочной жидкости и тампонажного раствора;
• расхаживание или вращение обсадной колонны при подаче тампонажного раствора в затрубное пространство;
• применение полного комплекса технологической оснастки обсадной колонны.