глинистых пород перед остановкой циркуляции, чтобы вновь образованные стенки на достаточную глубину смачивались водой и на них сформировалась прочная глинистая корка малой толщины.

6.Использовать малоглинистые (или неглинистые) растворы.

7.Следует учитывать, что газирование бурового раствора может происходить вследствие как контракции, так и зани­ женной плотности. Если в первом случае необходимо умень­ шить предельное статическое напряжение сдвига, то во вто­ ром - добавить утяжелитель. Дополнительное утяжеление раствора при газировании, вызванном контракцией, может привести к гидроразрыву и поглощению раствора.

8.Предусматривать расхаживание инструмента через оп ­ ределенные интервалы времени при значительной длине о т­ крытого ствола в случае прекращения циркуляции.

4.2. ГАЗОПРОЯВЛЕНИЯ ПРИ КРЕПЛЕНИИ СКВАЖИН

Газопроявления, возникающие при креплении скважин, остаются серьезным видом осложнений на большом количестве газовых и газоконденсатных площадей СНГ.

Условия, способствующие проникновению флюидов в заколонное пространство, изучены недостаточно, недостаточно выяснены и причины этого явления, а отдельные толкования подчас противоречивы.

В межколонном пространстве газ может появиться вслед­ ствие нарушений герметичности колонны и устьевого узла (колонной головки, места ее соединения со сгонным патруб­ ком и т.д.) или во время процесса формирования цементного камня в затрубном пространстве (загустевания, схватывания и твердения раствора-камня). Отмечаются следующие воз­ можные пути продвижения газа и других флюидов в заколонном пространстве после цементирования: по каналам, об ­ разованным вследствие негерметичности резьбовых соедине­ ний; по каналам из-за негерметичности соединения частей колонной головки; по нарушениям целостности обсадных колонн; по каналам при негерметичном цементном камне.

Во многих скважинах суммарное сечение каналов цемент­ ного камня может быть весьма невелико. В то же время можно привести немало примеров, когда через зацементиро­ ванное заколонное пространство в сутки проникало десятки-

сотни кубических метров воды и газа. Это указывает на на­ личие значительных каналов в заколонном пространстве.

Известно, что даже при соблюдении всех требований, ко ­ торые выработала практика к цементам и процессу цементи­ рования, происходили заколонные проявления. В результате возник ряд гипотез, в которых была сделана попытка объяс­ нить причины столь необычного явления.

Природа заколонных проявлений после цементирования обсадных колонн экспериментально пока еще слабо изучена

иизвестны только попытки ее объяснения на основе общих представлений и промыслового материала.

Анализ многочисленных случаев по газопроявлениям пока­ зывает, что в процессе ожидания затвердения цементного раствора и вскоре после него газ может поступать в заколонное пространство и далее к устью скважины независимо от ряда технологических факторов, которые считают спо­ собствующими этому процессу или его тормозящими.

1.Тип цемента. Газовые проявления были отмечены в раз­ личных геолого-технических условиях при использовании самых разнообразных цементов. Во всех случаях газопрояв­ ления происходили, а их интенсивность была непостоянна.

2.Конструкция скважин. При прочих равных условиях га­ зопроявления прослеживались в скважинах разнообразных по конструкциям и различных по диаметрам колонн.

3.Искривление скважин. Газопроявления одинаково часто происходили как в практически "вертикальных" скважинах, так и в скважинах, имеющих значительные зенитные углы ствола.

4.Высота подъема раствора. М ожно отметить немало примеров, когда газ прорывался при большой и малой высо­ те подъема цементного раствора в заколонном пространстве.

5.Плотность раствора. Безотносительно к плотности там ­ понажного раствора и даже разнице плотностей цементного

ибурового растворов газ появлялся на устье скважин через довольно короткое время после цементирования.

Еще более тривиальные выводы получаются, если ставить зависимость появления газопроявлений только от наличия

центраторов или только от значения скорости восходящего потока цементного раствора.

Тем не менее данные практики показывают, что газопро­ явления в процессе ОЗЦ или после него значительно чаще проявляются там, где обращается недостаточное внимание на технологию цементирования, где применяют только чистый цемент, где наряду с недостаточным вытеснением бурового

раствора обеспечиваются большие высоты подъема цемент­ ного раствора и т.д.

Вместе с тем замечено, что газопроявления при прочих равных обстоятельствах значительно реже прослеживаются при использовании цементно-песчаных, цементно-бентони­ товых и шлакопесчаных растворов, при расхаживании ко ­ лонн в процессе цементирования и обеспечении проведения определенного комплекса цементировочных работ и т.д.

Все это указывает на то, что ранее рассмотренные ф акто­ ры либо не имеют отношения к качеству цементировочных работ с точки зрения предупреждения газопроявлений, либо играют подчиненную роль. Резюмируя существующие мнения о путях движения газа в заколонном пространстве скважины, можно выделить следующие места возникновения потенци­ альных каналов.

1.Трещины и перемятости пород (в первую очередь, при возникновении грифонов).

2.Участки, заполненные невытесненным буровым раство­ ром с последующим разрушением последнего.

3.Участки стенок скважины, где осталась сформированная глинистая корка с последующим ее разрушением.

4.Зазоры, возникающие на границах обсадная колонна - цементный камень и цементный камень - стенка скважины в результате выделившейся из цементного раствора воды (с последующим ее поглощением твердеющим цементным рас­

твором).

5.Щель, заполненная водой на границе между глинистой коркой (буровым раствором) и цементным раствором (камнем), возникшая в результате их синерезиса.

6.Каналы, образованные поднимающимся по цементному раствору газом.

7.Капилляры, пронизывающие схватившийся, но еще не затвердевший цементный раствор и образованные в резуль­ тате наличия в нем избыточной воды (по сравнению с необ­ ходимым ее количеством для химического процесса соедине­ ния цемента с водой). Проницаемость цементного камня.

8.Каналы, образовавшиеся в цементном растворе в ре­ зультате водоотделения на контакте с другими поверхностями или в его массе.

9.Трещины в цементном камне.

Изучение причин, способствующих возникновению газо­ проявлений в скважинах при цементировании обсадных ко ­ лонн, и разработка условий, необходимых для их предот­ вращения по ряду различных нефтегазовых районов СНГ

мечают исследователи и производственники, возможно, иг­ рают некоторую роль в газопроявлениях.

В основу классификации взято разделение всех факторов, способствующих газопроявлениям, на пять групп: 1) геологи­ ческие; 2) технические; 3) технологические; 4) физико-хими­ ческие; 5) механические.

Данная градация обусловливается тем, что она охватывает весь процесс крепления скважин от начала прокачивания тампонажного раствора в скважину до окончания времени его затвердения с последующим пребыванием в заколонном пространстве.

Вместе с тем следует учитывать, что для возникновения и

Для оценки этих факторов (см. рис. 4.8) необходимы ана­ лиз и оценка их приоритетности в каждом конкретном слу­ чае с учетом прогресса в решении указанной проблемы.

Следствием движения газа (реже нефти или воды) в зако­ лонном пространстве скважин являются выходы его на по­ верхность в некотором отдалении от устья. Это грифоны. Грифоны - весьма серьезное осложнение, нередко перехо­ дящее в аварию. Из земли выходит флюид, выбрасываются куски породы, выделяется значительное количество газа, нефти, воды. Спустя некоторое время некоторые грифоны прекращают свое существование, другие же, наоборот, акти­ визируются и функционируют долго. Чаще грифоны возни­ кают при бурении и после крепления скважин, реже при эксплуатации, при стабильных режимах работы.

Основная причина возникновения грифонов - прорыв флюида на дневную поверхность: накопление флюида, в пер­ вую очередь, газа в заколонном или межколонном простран­ стве (между промежуточной и эксплуатационной колоннами); наличие путей поступления флюида к месту накопления (или транзитного движения) - негерметично зацементированное заколонное пространство; пропуски резьбовых соединений; протертости к(^нАуктоРа (и) или колонны; наличие в верхней части разреза малоуплотненных пород, пород, дезинтегриро­ ванных. сетью трещин, сообщающихся с поверхностью; пе­ ресечение скважиной плоскости тектонического нарушения,

выходящей на поверхность.

ГрифоцообраЗования причиняют огромный вред безвоз­ вратной потерей нефти, дегазацией пластов, известно их

возникновение под основанием морской буровой, что созда­ ет реальную угрозу обрушения основания, у железнодорож­ ного полотна, поселков и т.д.

Предупредить возникновение газопроявлений и грифонообразований — значит создать герметичное заколонное про­ странство как в зоне подъема цементного раствора, так и

выше него.

Ликвидировать возникшее газопроявление или грифон — значит перекрыть пути поступления пластового флюида. Для этого существуют различные методы ремонта и материалы.

Несомненно, различные районы по-разному опасны ос­ ложнениями.

Газопроявления и грифоны - проблема, бесспорно, слож­ ная. Их природа во многих случаях является еще недостаточ­ но установленной. Объяснение причин их возникновения подчас неубедительное, а иногда ошибочное, основанное на недостаточном понимании механизма процессов, протекаю ­ щих в скважине. Немалую роль при этом играет использова­ ние ошибочных терминов.

Часто причиной газопроявлений считают "слабое сцепле­ ние" цементного камня с породой или обсадной колонной, "недостаточный контакт", "непрочное сцепление" или "непрочный контакт" и т.д.

В скважине, как было доказано практикой и многочис­ ленными экспериментальными работами, сила сцепления ме­ талла труб и пород стенок скважины с цементным камнем в большинстве случаев равна нулю. Причиной тому является наличие глинистой корки или слоя бурового раствора между ними. Для сцепления, как известно, при прочих благоприят­ ных условиях, необходимо в первую очередь соприкоснове­ ние этих тел.

То же следует сказать и по поводу контакта. Контакт - это соприкосновение, соединение. Контакт между телами может быть (рис. 4.9, а), или между ними при отсутствии контакта будет зазор либо прослойка материала (рис. 4.9, б).

Различают контакт ненапряженный и напряженный (см. рис. 4.9).

При определенном давлении (например, водой или газом) две соприкасающиеся поверхности могут быть разъединены. В скважине глинистая корка или прослойка бурового раствора, как правило, является тем разделяющим телом (про­ слойкой), которое не обеспечивает контакта между стенкой скважины (или колонной) и цементным раствором.

Глинистая корка (прослойка) находится под действием из-

быточного давления, т.е. напряжена, и она не способна про­ пускать флюиды. Для этого нужен канал.

Как показали экспериментальные работы, глинистая кор ­ ка может быть нарушена под действием или давления, ("прострел") или физико-химических процессов, протекаю ­ щих на контакте цементный раствор — корка. Каналы могут возникнуть и в самом цементном растворе-камне.

Если глинистая корка (прослойка) отсутствует, возникает напряженный контакт цементный раствор (камень) - стенка скважины.

Следовательно, речь может идти не о "плохом" контакте между цементным камнем, породой и колонной, но об его отсутствии в связи с наличием прослойки (корки) бурового раствора.

При наличии контакта между указанными поверхностями появляется возможность проявления сил сцепления между ними. Последние определяются сродством материалов, чисто­ той поверхности, природой материалов, условиями твердения и т.д.

Приведенное указывает на то, что "слабое сцепление" или "недостаточный контакт" - понятия, несовместимые с объяс­ нением природы газопроявлений.

Подставляя (4.36) и (4.40) в (4.35), определим радиальную деформацию обсадной колонны. Заметим, что Ut > 0, а [7р < < 0. Характерно, что при прочих равных условиях Ut зависит от глубины. Из формул (4.37) и (4.39) следует, что темпера­ турная деформация будет увеличиваться по мере уменьшения z, т.е. по мере приближения к устью скважины. Поэтому по мере удаления от устья [/р по абсолютному значению будет немного больше Ut. Зазор между цементным стаканом и об ­ садной колонной в призабойной зоне может достичь такого значения, что приведет к нарушению сплошности соединения (контакта).

Однако пока нет серьезных оснований считать, что обра­ зовавшийся зазор может явиться каналом для движения флю­ ида, даже газа.

Как показывают расчеты, даже без учета упругого пере­ мещения цементного камня зазоры могут изменяться в зави­ симости от условий (Ар = 5,СИ-20,0 МПа, Af = 10+25 °С) в пре­ делах 0,01+0,1 мм.

Однако, несмотря на невысокие размеры зазора, следует считать необходимым после цементирования, когда цементный раствор еще не превратился в камень, снижать в колонне давление, т.е. стремиться к такому положению, когда Ар = 0.

4.2.3. ВЛИЯНИЕ ВОЗДУХА, ВОВЛЕЧЕННОГО ПРИ ЦЕМЕНТИРОВАНИИ СКВАЖИН, НА ВОЗМОЖНОСТЬ ГАЗОПРОЯВЛЕНИЙ

Недостаточно обоснованным следует считать мнение, что цементный камень имеет повышенную проница­ емость вследствие захваченного им при затворении цемента воздуха. Практика показывает, что соединения труб и це­ ментировочной головки герметичны. При затворении цемента захватывается ничтожное количество воздуха. Так, плотность (теоретическая) цементного раствора с водоцементным от­ ношением 0,5 составляет 1,83—1,85 г/см 3. При затворении чистого цемента (при том же водоцементном отношении) плотность раствора, как правило, не падает ниже 1,81 — 1,80 г/см3 (за счет воздуха). Определим объем воздуха в рас­ творе, приведенный к атмосферным условиям:

Уже при 10 МПа этот объем воздуха уменьшится в 100 раз (pV = const). Естественно, что такое количество не оказывает сколько-нибудь существенного влияния на плотность цемент­ ного камня.

4.2.4. СЕДИМЕНТАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ

Седиментационные процессы в цементном растворе и их влияние на возможность газопроявлений должны рассматриваться исходя из следующих условий:

1) возможности происхождения седиментационных про­ цессов как таковых в конкретных реальных условиях про­ водки скважин;

2)понижения давления на пласт в процессе формирования цементного камня до значений ниже пластового;

3)возникновения и формирования каналов в заколонном пространстве (в предположении, что оно полностью заполне­ но цементным раствором).

Если седиментационные процессы могут проходить по глубине скважины, то возможно понижение давления на пласт до гидростатического в результате того, что активным составляющим в системе цемент—вода останется вода, а рас­ твор "проницаем".

Опыты показывают, что чистый цементный раствор с во­ доцементным отношением 0,5, залитый в длинные стеклян­ ные трубки (до 2 м) диаметром 20—130 мм, твердеет без ярко выраженных седиментационных процессов. В верхней части наблюдается водоотстой цементного раствора.

Водоотстой цементного раствора определяется рядом ф ак ­ торов, главными из которых являются водоцементное отно­ шение, природа цемента, его водоудерживающая способ­ ность, удельная поверхность и др.

Однако немало случаев значительной фазовой неустойчи­ вости цементных растворов. Часто цементирование скважин осуществляется цементно-песчаными растворами, седимента­ ция частиц которых выше. Нестабильность растворов возра­ стает при уменьшении удельной поверхности цемента.

Небольшие отклонения от расчетных значений объясня­

лись недостаточно тщательным отмывом песка или прохож ­ дением части мелких зерен через ячейки сита.

Цементно-песчаный раствор испытывался также на про­ рыв через него газа на описанной стеклянной установке. Снизу к цементно-песчаному раствору подводился газ с дав­

лением, большим давления столба раствора. В процессе твер­ дения раствора и после него газ не проходил через столб смеси.

Газопроявления не могут объясняться седиментационными процессами, так как они в тампонажных растворах слабо проявляются вследствие возникновения структуры раствора, не способствуют образованию каналов и не являются причи­ ной понижения противодавления на пласты, если использу­ ются цементы с высокой удельной поверхностью (типа ново­ российского цемента). Однако цементы относительно более грубого помола приводят к возникновению каналов, часто значительных.

В цилиндрах на контакте цементного раствора со стенкой сосуда и в массе раствора могут образоваться вертикальные каналы.

Внешняя сторона явления заключается в том, что через некоторое время в сосуде, в который помещен цементный раствор, начинается восходящее движение воды цементного раствора, которая закачивается в относительно короткие сроки. Результатом такого движения является образование по всей высоте сосуда в основном вертикальных каналов, более проницаемых, чем окружающая масса цементного раствора, не участвовавшая в таком движении. Это седиментация твер­ дой фазы раствора, которая происходит не отдельными зер­ нами цемента, а их скоплениями — флокулами.

Время формирования канала в цементном растворе исчис­ ляется от нескольких минут до нескольких десятков минут. Оно зависит от угла наклона сосуда, его диаметров, времени перемешивания (движения), количества раствора, его свойств. Данное явление присуще и другим вяжущим материалам (например, нефелинопесчаному), и оно тесно связано с вяз­ костью (текучестью) и водоотдачей (водоудерживающей спо­ собностью) цементного раствора.

После окончания затворения возникает ранняя структура цементного раствора, имеющая незначительную прочность, что является первым фактором, обусловливающим начало процесса образования каналов.

Итак, можно сделать следующие выводы.

1. Процесс образования каналов в цементном растворе, залитом в наклонные трубки, в некоторых случаях проявля­ ется. Если удельная поверхность цемента менее 2500 см2/г, каналообразование резко возрастает (В/Ц = 0,5).

2. Более часто этот процесс проявляется при использова­ нии цементно-песчаных смесей.