Исследования, проведенные в промышленных условиях К у­ бани и Ставрополья, показали, что длина такой пробки в затрубном пространстве при определенных условиях может ока­ заться достаточной для возникновения различного рода ослож­ нений. Применение буферной жидкости позволяет резко уменьшить число осложнений, повысить качество установки мостов и цементирования скважин.

8.10. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К МАТЕРИАЛАМ И ПРОЦЕССАМ ПРИ УСТАНОВКЕ МОСТОВ

Требования к физико-механическим свойствам тампонажно­ го камня определяют в соответствии с назначением устанавли­ ваемых мостов, которые в одних случаях должны быть непро­ ницаемы (при опробовании), в других - обладать жесткостью (при забуривании нового ствола), в некоторых случаях - иметь повышенное сопротивление сдвигу (при распакеровке пакеров, имеющихся на испытателе пластов), а в некоторых - отвечать комплексу требований.

Прочность и проницаемость мостов. Цементные мосты, ус­ танавливаемые в скважинах, часто испытывают воздействие больших депрессий. Если при этом высота моста не более не­ скольких метров, а собственно цементный камень недостаточно прочный и высокопроницаемый, что обусловлено неправиль­ ным выбором материалов (применительно к конкретным темпе­ ратурным условиям) или смешением тампонажного раствора с буровым, то такой мост оказывается негерметичным и может быть разрушен.

Прочность и несущая способность мостов. Мосты, устанав­ ливаемые в необсажейной части скважин, часто не пригодны для забуривания нового ствола, так как сопротивляемость це­ ментного камня разрушению оказывается ниже сопротивляе­ мости окружающих горных пород. Это же вытекает из общего закона искривления ствола скважины при бурении.

В.С. Федоровым установлено, что изменение зенитного угла оси скважины выражается в виде разности

где Дак и Дав - соответственно искривление и выпрямление ствола скважины.

Выражение (8.11) может быть переписано как

гд еА и В - коэффициенты пропорциональности; Рд - осевая на­ грузка на долото; Da - диаметр долота; a - твердость горной по­ роды; v - механическая скорость проходки; р - угол падения пластов; е - число лопастей или шарошек долота; h - высота бо­ ковой кромки долота; п - частота вращения долота; EI - жест­ кость направляющего участка бурильной колонны; Q - вес на­ правляющего участка колонны.

Из формул (8.11) и (8.12) видно, что интенсивность падения, кривизны Аав обратно пропорциональна твердости породы. Следовательно, в общем случае темп изменения зенитного угла при забуривании второго ствола будет тем выше, чем больше прочность цементного камня.

Действительная прочность камня, образуемого в скважинах при использовании современных тампонажных материалов, через 2 сут при изгибе не превышает 24,0-30,0 МПа, тогда как предел прочности на одноосное сжатие у песчаников, взятых с глубины 3000 м, составляет 34,0-57,0 МПа, а у известняков - 125,0-138,0 МПа. В связи с этим выдвигаются задачи изыска­ ния новых тампонажных материалов, гарантирующих получе­ ние высокопрочного камня, и совершенствования технологиче­ ских приемов забуривания второго ствола.

Когда цементный мост как инженерное сооружение испы­ тывает действие очень больших вертикальных нагрузок, он должен обладать высокой несущей способностью, которая зави­ сит от прочности цементного камня и характера его контакта с горными породами или с трубами. Наибольшее сопротивление цементного моста сдвигу возможно в тех случаях, когда между соприкасающимися материалами возникает физико-хими­ ческое сцепление, обусловленное созданием промежуточного кристаллического слоя.

Поскольку даже при турбулентном потоке между цемент­ ным камнем и горной породой или трубой всегда остается слой невытесненного глинистого раствора толщиной 0,3-2,00 мм, физико-химическое сцепление между ними отсутствует, а не­ сущая способность моста обусловливается силами трения. На­ личие слоя глинистого раствора наиболее сильно сказывается при установке мостов в обсадной колонне и последующем опро­ бовании их испытателем пластов. В этом случае, как показыва­ ют промысловые наблюдения, ввиду больших ударных гидрав-

личбских нагрузок пр^ распакеровке мост не обладает несущей способностью даже пр**наличии в скважине цементного стакана

высотой 100-150 м.

Экспериментальна исследования позволили уяснить неко­ торые моменты* влияющие на качество установки мостов в скважинах. При установлении несущей способности моста рас­ пределение напряжений но длине моста было принято прямо­ линейным, поэтому силу сопротивления моста сдвигу т находи­ ли из выражения

где Q - нагрузка; й и 1 ~ соответственно диаметр и высота моста. Водо- и газопроницаемость определяли при отсутствии про­ тиводавления на выхпД® образца; на входе его в зависимости от степени проницаемости моста создавалось давление в пределах 0,1-1,5 МПа. После определения водопроницаемости цемент­ ный мост “продували” воздухом в течение 1-2 ч при давлении

0,5-1,5 МПа и находили газопроницаемость.

Исследование цементных и цементно-песчаных мостов пока­

зывают следующее.

1. Проницаемость цементно-песчаных мостов, твердевших в водной или воздушной среде при температуре 75 и 100 °С, низка и не превышает 0,13*Ю"16 м2. С ростом температуры проницае­ мость мостов резко увеличивается, достигая при 140 °С через 2 сут 18,9 Ю ’ 16 м2.

Проницаемость цементных мостов с ростом температуры уменьшается и при 140 °С равна нулю. Во всех случаях прони­ цаемость мостов незначительно отличается от проницаемости образцов-балочек, определенной на аппарате ГК-5.

2. При наличии на стенках труб слоя глинистого раствора и твердения образцов в воздушной среде проницаемость мостов резко возрастала. Так, когда образец твердел в воздушной среде лишь первые 6 ч, проницаемость увеличилась от нуля до 61,510“16 м2. В тех случаях, когда мост полностью формировал­ ся в воздушной среде и вода, отсасываемая из глинистого рас­ твора, ничем не восполнялась, наблюдалось интенсивное уве­ личением проницаемости. При повышении температуры в связи с ускорением процессов гидратации эффект контракции цемен­ та проявлялся более интенсивно, а последствия ее были тем сильнее, чем толще глинистый слой.

3. Исследования несущей способности мостов, сформирован­ ных при температуре 75,100 и 140 вС при отсутствии глинисто­ го слоя, показали, что характер изменения сил сцепления тс и сил трения хт подчиняется тем же закономерностям, что и в

опытах при температуре 22 °С. Значения сил определяются фи­ зико-механическими свойствами цементного камня, шерохова­ тостью, разностенностью и овальностью труб, что хорошо под­ тверждается результатами опытов.

Анализ полученных данных позволяет установить общую закономерность существования симбатной связи между проч­ ностью цементного камня и несущей способностью мостов. Ха­ рактерно при этом, что во всех случаях с уменьшением прочно­ сти цементного камня снижается несущая способность мостов. Несущая способность цементно-песчаных мостов возрастает во всем диапазоне увеличения температур. При этом прочность цементно-песчаного камня и его сцепления с металлом при тем­ пературе 140 °Сочень велика.

4. Если поверхность труб была покрыта слоем глинистого раствора, то силы сцепления падали до нуля, а сопротивление моста сдвигу целиком определялось силами трения. Несущая способность моста резко уменьшается с увеличением толщины глинистого слоя. Во всех случаях при наличии слоя толщиной 0,5-1,0 мм величина хт не превышала 0,12-0,15 МПа, увели­ чение толщины пристеночного слоя до 0,5 -2,0 мм приводит к уменьшению тт до 0,04-0,07 МПа. Эти же мосты при отсутствии слоя глинистого раствора на поверхности труб имели несущую способность в пределах 2,24-3,17 МПа.

Ввиду того, что при установке мостов в скважинах высота подъема цементного раствора значительна, глинистый слой обезвоживается во всех случаях. Данное обстоятельство менее опасно в случае изоляции водоносных горизонтов, но может привести к очень серьезным последствиям при изоляции газо­ носных пластов.

С повышением температуры эффект контракции проявляет­ ся более интенсивно, так как ускоряются процессы гидролиза и гидратации цемента. За меньший промежуток времени развива­ ется больший вакуум и происходит более интенсивный отсос влаги в цементный раствор (камень).

При установке мостов в необсаженных скважинах, естест­ венно, обезвоживаются остатки не только глинистого раствора, но и глинистой корки. Чем больше объем цементного раствора (диаметр скважин), тем большее количество воды отсасывается из глинистых растворов, корки. Герметичность мостов резко снижается, и при изоляции газоносного объекта с высоким пла­ стовым давлением они не выполняют своего назначения.

Поскольку уже на глубине 2000-3000 м температура плас­ тов достигает 70-120 °С, был изучен эффект обезвоживания глинистого раствора, находящегося на твердеющем цементном

величине. Эго позволяет вычислить силу сцепления металла с цементным камнем:

где т - общее сопротивление моста сдвигу, определяемое по формуле (8.13).

Выражение (8.14) можно переписать также в виде

'с “ ndl ndl *

где Q - стабилизированная (установившаяся) нагрузка при вы­ давливании моста.

Величина сил тт трения неискривленных труб определяется прочностью цементного камня, а также шероховатостью, разностенностью и овальностью труб. Из этих факторов примени­ тельно к установке мостов первостепенное значение имеют прочность камня и овальность труб, изменяющаяся по их длине и способствующая увеличению несущей способности моста.

Для оценки влияния муфт обсадных труб на несущую спо­ собность моста предположили, что при малой высоте моста муфта способствует значительному увеличению его сопротив­ ления сдвигу. Считая, что сила сцепления цементного камня с металлом составляет 0,51 МПа, силу сопротивления сдвигу можно определить из выражения

Шлаковые цементы - незаменимый материал при установке мостов в высокотемпературных скважинах, где применение даже цементно-песчаных смесей практически исключено из-за невозможности подбора рецептуры растворов по срокам схва­ тывания.

На основании имеющихся данных представляется возмож­ ность сформулировать применительно к установке цементных мостов в глубоких скважинах следующие рекомендации.

1.Качество мостов, устанавливаемых в скважинах, зависит от многих одновременно действующих природных, техничес­ ких и субъективных факторов. Знание и правильный учет этих факторов —основа получения герметичных и прочных цемент­ ных мостов в глубоких высокотемпературных скважинах.

2.Высокие температуры и давления - одна из причин резко­ го ухудшения реологических свойств тампонажных портланд-

цементных растворов задолго до наступления начала их схва­ тывания. В связи с этим необходимо определять реологические свойства растворов и их загустеваемость с помощью капилляр­ ного вискозиметра или консистометра.

3. Реологические свойства растворов улучшают с помощью добавок ССБ, благодаря которым структурная вязкость и пре­ дельное динамическое напряжение сдвига растворов снижают­ ся в 3 раза и более. Наиболее эффективно ССБ разжижает рас­ творы в начальный период их затворения и при низких темпе­ ратурах. При высоких температурах действие ССБ непродол­ жительно. В подобных случаях ее нужно использовать совмест­ но с другими реагентами.

4. При высоких температурах для обработки тампонажных растворов рекомендуется применять новые комбинированные замедлители, состоящие из смеси ССБ и хромпика, КМЦ и хромпика, гипана и хромпика. Их широко используют при це­ ментировании глубоких скважин. Реагенты экономичны, так как при малых добавках эффективно замедляют схватывание и улучшают структурно-механические свойства тампонажных растворов.

5.Применение хлористого натрия позволяет получать ста­ бильные по свойствам цементные и цементно-песчаные раство­ ры, что очень важно для предотвращения роста давления в пе­ риод установки мостов и цементировании скважин.

6.Оптимальные добавки соли, при которых наблюдается значительное улучшение реологических свойств растворов и физико-механических свойств камня, составляют 5,0-7,5 % от

массы цемента.

7.Область применения солесодержащих растворов на основе портландцемента можно расширить путем обработки их комби­ нированными замедлителями схватывания. При высоких тем­ пературах можно также использовать солесодержащие раство­ ры на основе шлака.

8.Большую опасность при установке мостов представляет смешение глинистого раствора с тампонажным, которое приво­ дит к образованию высоковязких нетекучих смесей, резкому повышению давления и оставлению цементного раствора в тру­ бах ввиду невозможности восстановления обратной циркуляции для “срезки” кровли установленного моста.

9.Введение 5-10 % цементного раствора в глинистый при­ водит к сильной коагуляции последнего с образованием непрокачиваемой пробки, поэтому практически цементирование скважин должно осуществляться без соприкосновения указан­ ных жидкостей между собой.

10. Цементный раствор, как без добавок, так и с добавками замедлителей приводит к коагуляции глинистый раствор в большей степени, чем шлаковый.

11. При отсутствии разделительной буферной жидкости между цементным и глинистым растворами в кольцевом прост­ ранстве и трубах образуются зоны смешения протяженностью 200-400 м и более.

12. На интенсивность образования зоны смешения большое влияние оказывает состояние внутренней поверхности труб. Объем зоны смешения значительно возрастает, если в качестве заливочного инструмента используют бурильные трубы. При этом потери тампонажного раствора из-за смешения на 1000 м пути при использовании 114-141 мм труб достигают 0 ,6 - 0,8 м8, а в некоторых случаях и более.

13.Для предотвращения смешения тампонажного и глинис­ того растворов необходимо применять разделительные жидкос­ ти, которые при этом не должны загущать соприкасающиеся с ними растворы.

14.Применение в качестве разделительной жидкости воды

позволяет уменьшить потери цементного раствора на 1000 м пути до 0,15-0,25 м8. При использовании насосно-компресор- ных труб потери не превышают 0,10-0,15 м8.

15.Высота столба буферных жидкостей в кольцевом прост­ ранстве и трубах должна составлять не менее 150 м. При уста­ новке моста в кавернозной части ствола объем первой порции буферной жидкости должен быть увеличен до предела, допус­ каемого геолого-техническими условиями в данной скважине.

16.Для сокращения потерь тампонажного раствора в трубах целесообразно между первой порцией буферной жидкости и тампонажным раствором устанавливать самоуплотняющуюся разделительную резиновую пробку.

17.При установке мостов следует добиваться турбулизации потока цементного раствора в период его движения в кольцевом пространстве, так как при этом вытесняется до 95 % глинисто­ го раствора. Для выполнения указанного условия необходимо строго соблюдать режим продавливания, чтобы незадолго до начала поступления тампонажного раствора в затрубное прост­ ранство одновременно работали с максимальной производи­

тельностью все установленные цементировочные агрегаты.

18. Необходимую скорость подъема растворов нужно опре­ делять в соответствии с реологическими свойствами предназна­ ченных для использования тампонажных растворов. Для сни­ жения требуемых скоростей движения до 1-2 м /с тампонаж­ ные растворы во всех случаях необходимо обрабатывать реаген­

тами-понизителями вязкости (типа ССБ и др.), оптимальные добавки которых подбирают в лаборатории.

19.Степень вытеснения глинистого раствора из кольцевого пространства значительно увеличивается, если одновременно применять буферную жидкость и расхаживать заливочные тру­ бы. Характерно, что в тех скважинах, которые цементировали растворами, не обработанными понизителями вязкости, и в ко­ торых скорость подъема составляла менее 1 м/с, коэффициент вытеснения не превышал 60 % . Использование в качестве бу­ ферной жидкости только воды повышает в этих условиях сте­ пень вытеснения до 75 % , а при сочетании этого с расхажива­ нием колонны, коэффициент вытеснения возрастает до 90 % и более.

20.Для установки мостов при температуре до 100 °С ре­ комендуется использовать портландцементные растворы. Уве­ личение температуры до 140 °С резко ухудшает физико­ механические свойства камня и снижает несущую способность моста.

21.При температуре 100-140 °С и более необходимо приме­ нять (если возможно подобрать рецептуру по срокам схва­ тывания) цементно-песчаные растворы с соотношением це­

ментирующего материала и наполнителя 4:1, 3:1 и 2:1. Кам­ ни из этих растворов имеют проницаемость, близкую к нулю, и очень высокую силу сцепления с металлом. Мосты из этих смесей особенно целесообразно устанавливать при забурива­ нии второго ствола или опробовании с помощью испытателя пластов.

22.При температуре 130 °С и более высокое качество мостов достигается при использовании шлакопесчаных растворов (соотношение 3:1, 2:1 и 3:2), из которых получается камень с низкой проницаемостью и достаточно высокой прочностью.

23.Сроки ОЗЦ при установке мостов определяют в соответст­ вии с конкретными температурными условиями в скважине, физико-механическими свойствами получаемого камня и на­ значением моста. Продолжительность периода ОЗЦ при уста­ новке мостов находится в пределах 24-72 ч. Если мост предназ­ начен для забуривания нового ствола или применения испыта­ теля пластов, принимается максимальный срок ОЗЦ.

24.При наличии на стенках труб слоя глинистого раствора

сцепление цементного камня с металлом равно нулю, а несущая способность моста определяется главным образом прямолиней­ ностью и овальностью труб. Увеличение толщины глинистого слоя резко снижает сопротивление моста сдвигу. Для получе­ ния прочных мостов рекомендуется проводить технологические