14.4 Электрохимическое крепление стенок скважины

Электрохимический способ беструбного крепления стенок скважины можно применять в рыхлых, неустойчивых и даже обводненных породах. Сущность этого способа заключается в следующем.

В скважину на бурильных трубах опускается электрод, представляющий собой несущую стальную трубу, которая покрыта изоляционным слоем из пластмассы с закрепленными на его поверхности алюминиевыми полюсными кольцами. К полюсным кольцам подсоединены две токоведущие шины, помещенные в изоляционном слое. В заэлектродное пространство закачивают глиноцементную пасту (раствор тампонажного цемента 80-90 % и глина 20-10 %) с добавкой 2-3 % хлористого кальция. Затем по двухжильному кабелю с поверхности к электроду подают постоянный электрический ток. Обрабатывают им раствор в течение 2-3 ч, меняя через каждые 15 мин полярность на шинах электрода. В результате протекающих при этом вокруг электрода физико-механических процессов на стенках скважины образуется плотная кромка, исключающая необходимость крепления их обсадными трубами. При электрообработке раствора необходимо периодически производить расхаживание или вращение электрода с целью предупреждения его прихвата.

Электрохимический способ крепления, помимо экономии метал-

ла и ускорения проходки скважины, позволяет использовать для исследования все виды скважинной геофизики, что является весьма важным при разведке твердых полезных ископаемых.

15 Цементирование скважин и его расчет

Тампонирование скважин цементом или содержащими цемент материалами называется цементированием.

Цементирование применяется в наиболее ответственных случаях, когда нужно получить прочный и плотный тампон на весьма продолжительное время.

Для цементирования скважин применяется высококачествен­ный портландцемент марок 500 и 600, называемый тампонажным.

При смешивании с водой тампонажный цемент образует легко подвижный раствор, который с течением времени загустевает и постепенно превращается в прочный цементный камень.

Сроки и прочность схватывания цементного раствора зависят от качества цементного порошка, тонкости его помола, количества и качества содержащейся в растворе воды.

Количество воды для затворения раствора определяется водоцементным фактором, выражающим массовое соотношение воды и сухого цемента в единице объема раствора

m = B/Ц, (15.1)

Обычно принимают m =0,4-05, при m = 0,4 цементный раствор называют 40 %, при m = 0,5 – 50 %-ным. При меньших значениях m мал период жидкого состояния раствора, а при больших — резко снижается прочность цементного камня.

Применяемый при разведочном бурении цемент имеет начало схватывания, т. е. начинает терять подвижность, не ранее 3 ч и не позднее 3 ч 30 мин после затворения раствора. За период от начала затворения и до начала схватывания цементного рас­твора необходимо произвести его закачивание к намеченному месту установки тампона.

Конец схватывания цементного раствора, когда он полностью теряет подвижность, наступает не позднее 3 ч после начала схватывания. От начала и до конца схватывания цементный раствор должен находиться в покое, так как перемешивание его отрицательно сказывается на прочности цементного камня.

Повышение температуры среды, в которой находится цементный раствор, является активным ускорителем его схватывания. Поэтому в глубоких скважинах с высокой температурой у забоя применяют специальные цементы, на которые температура оказывает меньшее влияние.

Кроме того, для замедления схватывания используют длительную промывку скважины сильно охлажденной промывочной жидкостью, а также добавление в цементный раствор замедлителей схватывания, в качестве которых применяют сернокислое железо, ССБ или КМЦ в количестве до 1% от массы сухого цемента. Весьма целесообразно введение в цементный рас­твор тонко измельченного кварцевого песка (до 30-40% от массы сухого цемента) с добавкой КМЦ. При этом наряду с замедлением схватывания раствора экономится дорогостоящий портландцемент и повышается устойчивость цементного камня к воздействию на него агрессивных сульфатных вод.

Наиболее простым и широко применяемым при разведочном

бурении способом цементирования является погружение башмака обсадной колонны в цементный раствор, залитый на забой скважины. Забойное цементирование производится для изоляции нижней при забойной части колонны обсадных труб, поэтому высота подъема раствора в затрубном пространстве достаточна в пределах 2-3 м. Необходимое для цементирования количество раствора закачивается в скважину через заливочные трубы. Обсадная колонна при этом подвешена над забоем на расстоянии 3-5 м. По окончании закачивания цементного раствора заливочные трубы приподнимают над его поверхностью и, промыв водой, извлекают из скважины.

Обсадную колонну опускают на забой и оставляют в покое примерно на сутки, после чего разбуривают цементную пробку в трубах и продолжают углубление скважины.

Если необходима большая высота подъема цемента в затрубном пространстве (на любое расстояние от забоя, вплоть до устья скважины), применяется цементирование под давлением с разделяющими пробками.

По истечении времени, необходимого для твердения цементного раствора, проверяют герметичность колонны, а затем герметичность затрубного пространства.

Герметичность колонны проверяют при наличии в нижней части цементной пробки. Для испытания же герметичности затрубного пространства необходимо разбурить специальным пикообразным долотом цементную пробку в трубах и на 1-2 м углубить скважину ниже башмака обсадной колонны.

Проверка герметичности колонны и затрубного пространства может быть проведена двумя способами: опрессовкой или понижением

уровня жидкости в скважине.

Первый способ применяют в том случае, когда тампонажная колонна наполнена жидкостью. Через цементировочную головку в колонну труб нагнетают воду и поднимают давление до 40-60 кгс/см². Если в течение 30 мин давление упадет не более чем на 5 кгс/см², герметичность считается удовлетворительной.

Второй способ испытания на герметичность обычно применяется при бурении скважин на воду. Промывочную жидкость вычерпывают из труб, понижая уровень не менее чем на ²/₃, и, закрыв скважину, оставляют ее в покое на сутки. Если в течение 24 ч уровень жидкости поднимется не более чем на 1 м, герметичность признается удовлетворительной.

Обнаруженные в результате испытаний скважины неплотности в колонне или дефекты тампонирования устраняют повторным цементированием.

Расчет цементирования скважины производится с целью определения потребного для производства работ количества материалов (цементного порошка, воды, продавочной жидкости), выбора типа насоса или цементировочного агрегата.

Объем цементного раствора, необходимый для создания в затрубном пространстве цементного кольца высотой h и цементного столба внутри колонны высотой h_Q (рисунок 15.1), определяется по формуле:

V_ц.р = 0,785k [(D²_c – D²_н)h + D²_вh₀], м³ (15.2)

где D_c — диаметр скважины, м;

D_н - наружный диаметр обсадных труб, м; D_в - внутренний диаметр

обсадных труб, м; k - 1,2-1,3 - коэффициент, учитывающий потери цементного раствора и дополнительный его расход на заполнение расширение скважины.

П отребное количество сухого цемента для приготовления цементного раствора

, тс (15.3)

где γ_ц – удельный вес сухого цемента (γ_ц= 3,05-3,2 тс/м³);

γ_в – удельный вес воды, тс/м³; m – водоцементный фактор;k = 1,1-1,15 – коэффициент, учитывающий потери сухого цемента при приготовлении цементного раствора.

Рисунок 15.1 – Схема к расчету цементирования скважины

Количество воды, необходимой для приготовления цементного раствора

V_в= Q_цm, м³ (15.4)

Для продавливания цементного раствора необходимо закачать продавочную жидкость в объеме

V_п.ж= 0,785k_жD²_в(L-h₀), м³ (15.5)

где L – глубина скважины, м;

k_ж – коэффициент, учитывающий сжатие жидкости (принимается для воды k_ж=1, для глинистого раствора k_ж=1,05).

Давление, необходимое для продавливания цементного раствора

, кгс/см² (15.6)

где γ_ц.р – удельный вес цементного раствора (γ_ц.р =1,85-1,95 тс/м³); γ_ж – удельный вес продавочной жидкости.

Время, необходимое на цементирование скважины

, мин (15.7)

где t_вс – время, расходуемое в процессе цементирования на вспомогательные операции (t_вс =10-15 мин);

Q_ц.а – производительность цементировочного агрегата, м³/мин.

Продолжительность цементирования не должна превышать 75 % времени начала схватывания цементного раствора.