Глава 7

ЦЕМЕНТИРОВАНИЕ ОБСАДНЫХ

КОЛОНН

Весь комплекс работ, связанных с замещением бурового рас­ твора цементным (тампонажным), называется цементировани­ ем скважины или обсадной колонны; сюда же входят ожидание затвердения цементного раствора (ОЗЦ) и период формирова­ ния цементного камня. Существует несколько методов цемен­ тирования. Из них наиболее распространен метод прямого це­ ментирования, применяемый с некоторыми вариациями и из­ менениями с начала нашего века.

Важность качественного цементирования обусловлена тем, что это заключительный этап строительства скважин, поэтому неудачи при его выполнении могут свести к минимуму ожидае­ мый эффект, стать причиной неправильной оценки перспектив­ ности 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. Процессе цементирова­ ния 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 изоляция, т.е. образование в ство­ ле безусадочного тампона, внутреннюю часть которого состав­ ляет колонна обсадных труб. Важное условие - равномерная толщина цементного камня с любой стороны света. Размеры кольцевого зазора (т.е. толщина цементного кольца) не опреде­ ляют качества разобщения пластов, однако оказывают влияние

на формирование цементного камня или предопределяют его отсутствие.

2.Удержание обсадной колонны от всевозможных переме­ щений: проседания под действием собственного веса, темпера­ турных деформаций, деформаций вследствие возникновения перепадов давления в колонне, ударных нагрузок, вращений и т.д.

3.Защита обсадной колонны от действия коррозионной сре­

ды.

4.Повышение работоспособности обсадной колонны с увели­ чением сопротивляемости повышенным (против паспортных данных) внешнему и внутреннему давлениям. Естественно, це­ ментное кольцо должно быть сплошным и иметь при этом опре­ деленную физико-механическую характеристику.

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

Краткосрочность операции цементирования скважин не де­ лает ее менее значимой, хотя может быть причиной недостаточ­ ного внимания к ее выполнению.

Эксплуатация скважин требует устойчивой работы крепи, что обеспечивается формированием цементного камня вдоль ствола и заполнением им всего заколонного пространства, соот­ ветствием свойств камня (и всей крепи) требованиям, обуслов­ ленным внешними воздействиями (нагрузками, коррозии и т.д.). Количественно оценить все факторы сложно, что объясня­ ется сложностью моделирования процессов и получения досто­ верных результатов. Основные трудности при этом заключают­ ся в недостатке информации об условиях, в которых предстоит формирование цементного камня, и о свойствах материала, ко­ торый образуется в скважине в результате замещения им буро­ вого раствора.

Профиль и азимут ствола, расположение, глубина, форма и перемежаемость горных пород, состояние бурового раствора, степень его "защемленности", размеры зон "защемленности", возникновение "центров" движения бурового раствора, толщи­ на фильтрационной корки, размеры зон смешения бурового и тампонажного растворов, концентрация растворов по сечениям,

атакже события на границах - у стенок скважины и обсадной колонны - явления случайные. Случаен и сам факт качествен­ ного или некачественного разобщения пластов.

Цементирование скважин должно быть скорее некачествен­

ным, так как за один цикл закачки цементного раствора при принятой технологии полного вытеснения бурового раствора без специальных мероприятий добиться невозможно. Поэтому к качеству цементирования надо подходить как к явлению слу­ чайному и делать все возможное для его повышения. Работоспо­ собность цементного камня также определяется рядом случай­ ных событий.

Необходимо с начала бурения управлять процессами форми­ рования 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. Часто ствол получается таким, что заведомо может гарантировать только некачественное цементирование вследствие создания такой конфигурации и такого профиля ствола, из которого полное вы­ теснение бурового раствора невозможно.

Негативным фактором является отсутствие (иногда полное) информации о состоянии цементного камня в скважине. Ис­ пользуемые 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 цемент­ ным камнем - и при этом неповторяемо, непостоянно и неодно­ значно.

Высокое качество цементирования любых скважин включа­ ет два понятия: герметичность обсадной колонны и герметич­ ность цементного кольца за колонной.

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

Высокое качество цементирования скважин (результат рабо­ ты) следует отличать от успешного проведения процесса цемен­ тирования. Этот процесс может быть выполнен успешно, а каче­ ство цементирования остается низким. Известны случаи, когда операция завершалась при чрезмерно больших давлениях или в ходе ее отмечались поглощения либо другие осложнения, одна­ ко качество цементирования было высоким.

Для создания герметичности при наличии тампонажных растворов высокого качества необходимо обеспечить контакт бе­ зусадочного цементного камня, обсадной трубы и стенки сква­ жины. В процессе цементирования не должно быть гидрораз­ рыва пластов.

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

Под технологией цементирования нефтяных и газовых сква­ жин следует понимать соблюдение выработанных норм и пра­ вил работы с целью наиболее полного заполнения заколонного пространства скважины тампонажным раствором определенно­ го качества (взамен бурового) на заданном участке и обеспече­ ния контакта цементного раствора-камня с поверхностью обсад­ ной колонны и стенкой скважины при сохранении целостности пластов.

Технологический процесс цементирования определяется ге­ ологическими, технологическими и субъективными фактора­ ми. При анализе влияния различных факторов на качество це­ ментирования скважин субъективный фактор может не рассма­ триваться, так как предполагается, что операторы имеют необ­ ходимую квалификацию и нарушений в проведении технологи­ ческого процесса нет.

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

Большинство технико-технологических факторов управляе­ мые. Во всех случаях следует стремиться к тому, чтобы все ре­ жимные параметры оказывали воздействие на процесс цементи­ рования для обеспечения полного замещения бурового раствора тампонажным. Важное значение при этом имеют состояние ствола скважины, его чистота, конструкция скважины, геомет­ рия заколонного пространства и его гидродинамическая харак­ теристика. На практике качественное цементирование скважин достигается с большим трудом, если ему не уделено должное внимание еще в процессе бурения, т.е. при формировании ство­ ла. 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 при­ менением комплекса мероприятий технического характера и усовершенствованием технологии цементирования, а не изыскиванием "универсальных" способов 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 тампо­

нажных 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 цементирова­

ния;

7)применение скребков;

8)центрирование колонны;

9)использование элементов автоматизации, приспособлений

иустройств для повышения качества цементирования.

При проведении цементировочных работ необходимо учиты­ вать, что применение одного мероприятия требует осуществле­ ния или изменения другого. Так, очищение стенок скважины от глинистой корки скребками при расхаживании обсадных ко­ лонн в большинстве случаев не может быть выполнено без обра­ ботки используемых тампонажных растворов для снижения по­ казателя фильтрации и т.д.

Таким образом, технологические факторы, способствующие повышению качества цементировочных работ, взаимосвязаны и взаимозависимы.

Технологические свойства буровых и тампонажных раство­ ров - это комплекс свойств указанных жидкостей, влияющих на наиболее полное замещение одной жидкости другой без на­

рушения процесса цементирования. К ним относятся реологи­ ческие параметры, показатель фильтрации, абразивные свойст­ ва, седиментационная устойчивость, способность не загустевать при взаимном перемешивании, сохранять подвижность в тече­ ние процесса цементирования и т.д. При основном цементирова­ нии такие свойства, как механическая прочность и проницаем мость тампонажного камня, не могут считаться технологичес­ кими, тогда как, например, при установке цементных мостов для забуривания стволов скважин прочность камня - это техно­ логический параметр процесса.

На качество цементировочных работ оказывают влияние ста­ тическое и динамическое напряжение сдвига бурового раство­ ра, его вязкость и показатель фильтрации, а также толщина, механические свойства и проницаемость глинистой корки.

Даже при удовлетворительных характеристиках бурового раствора он не может быть вытеснен в полном объеме из-за на­ личия застойных зон и каверн. Глинистая корка остается на стенках скважины.

При закачке и продавке цементный раствор смешивается с буровым раствором. При этом иногда наблюдается сильное загустевание смеси, что приводит к резкому повышению давле­ ния. Подбором оптимальных составов тампонажных и буровых растворов во многих случаях можно уменьшить загущение сме­ сей или исключить его.

Успех работы по цементированию скважин часто определя­ ется показателем фильтрации тампонажных растворов. В ре­ зультате отфильтровывания воды раствор становится вязким, труднопрокачиваемым, сроки схватывания его ускоряются. Если процесс цементирования осуществляется с очищением стенок скважины от глинистой корки, необходимо принимать эффективные меры для резкого снижения показателя фильтра­ ции цементного раствора.

Реологические характеристики тампонажных и буровых растворов определяются природой базисных материалов и на­ полнителей, зависят от их соотношения, количества и природы введенных реагентов, температуры, давления, конструктив­ ных особенностей аппаратуры, методики определения парамет­ ров и предыстории деформации жидкости.

Тампонажные (как и буровые) растворы обладают свойством тиксотропии.

Впервые реологические свойства цементных растворов были изучены Р.И. Шищенко.

Реологические свойства тампонажных растворов существен­ но зависят от наличия в них галита (NaCl), сильвина (КС1), би-

шофита (MgCl-6H20) и карналлита (KCl-MgCl2*6H20). Наличие хлорида натрия в растворе значительно снижает динамическое напряжение сдвига т0 на протяжении всего наблюдения и не­ сколько увеличивает пластическую вязкость Т|в начальный мо­ мент. Темп изменения пластической вязкости во времени отста­ ет от интенсивности роста вязкости цементного раствора без га­ лита.

При полном насыщении тампонажного раствора галитом до­ стигается наибольшее снижение реологических констант.

Ввод 5 % сильвина ускоряет структурообразование. При дальнейшем повышении содержания сильвина до полного насыщения им раствора снижается динамическое напряжение сдвига, но возрастает пластическая вязкость.

При содержании в цементном растворе 15 % бишофита уже через 30 мин после затворения реологические константы дости­ гают предельных значений. При полном насыщении бишофитом раствора последний быстро загустевает. Пластическая прочность, измеренная сразу же после затворения, превышает

30мПа.

Как показал химический анализ фильтрата тампонажного

раствора, при содержании в нем MgCl2 происходит полный об­ мен между катионами Mg2*, содержащимися в жидкой фазе, и катионами Са2+, находящимися в твердой фазе.

Технический карналлит неоднороден по химическому соста­ ву, и ионы К+ и Mg2* содержатся в нем в различных соотноше­ ниях. Хлориды кальция и магния, находящиеся в карналлите, оказывают на структурообразование раствора противоположное действие. При введении карналлита, имеющего в составе боль­ ше хлоридов калия, чем магния, система разжижается и уве­ личивается период ее прокачиваемости, а присутствие карнал­ лита с преобладанием хлоридов магния вызывает ускорение структурообразования.

Одна из характерных особенностей цементных растворов - резкое снижение динамического напряжения сдвига в присут­ ствии электролитов с одновалентными катионами (от 50 % до насыщения). Затем вследствие гидратации этот показатель уве­ личивается и уменьшается напряжение сдвига. Такая же зако­ номерность наблюдается при содержании в растворе от 5 до 12 % бишофита или от 5 до 21 % карналлита.

Вытеснение бурового раствора тампонажным характеризу­ ется коэффициентом вытеснения Лв. Под коэффициентом вытес­ нения бурового раствора тампонажным понимают отношение объема вытесненного бурового раствора AV (или закачанного цементного при отсутствии поглощения или проявления) к пол­