книги из ГПНТБ / Шацов Н.И. Разобщение пластов в нефтяных и газовых скважинах (конструкции, крепление и цементирование скважин)

§ 3. Двухступенчатое цементирование

Цементирование колонн в глубоких скважинах требует вы­ соких давлений в насосах и продолжительного времени для закачки цементного раствора и продавки его жидкостью в объеме колонны значительной длины.

Учитывая, что процесс закачки цементного раствора и про­ давочной жидкости должен длиться не более 1 часа в связи с фи­ зико-химическими свойствами цементного раствора и условиями нахождения его в скважине, обычное цементирование глубоких колонн через башмак колонны с двумя пробками представляет большие трудности. Кроме того, надо иметь в виду тенденцию к упрощению крепления скважин путем перехода на одноколон­ ные конструкции, что приводит к необходимости поднимать цементный раствор на большую высоту.

Для облегчения процесса цементирования обсадных колонн в глубоких скважинах применяют двухступенчатое цементиро­ вание. В этом случае цементный раствор закачивают в затрубное пространство частично через башмак колонны, а частично через специальное отверстие в самой колонне на некотором расстоянии от забоя. При двухступенчатом цементировании между обсадными трубами в колонне на определенной глубине устанавливается специальная муфта.

Цементный раствор при этих условиях закачивают следующим образом (рис. 53).

1. Спускают в колонну первую пробку, закачивают первую порцию цементного раствора, затем спускают вторую пробку. Цементный раствор, находящийся между этими пробками, прокачивают под башмак колонны в затрубное пространство' обычным способом.

2. Вторую пробку проталкивают вниз глинистым раствором в количестве, обеспечивающем сдвиг третьей пробки, которая по диаметру больше первых двух.

3. Третья пробка в колонне доходит до буртика муфты и при дальнейшем движении сдвигает ниппель, который нижней своей кромкой, срезая опорные шпильки, доходит до патрубка. В этот момент открываются отверстия в муфте для прокачки цементного раствора в затрубное пространство.

4. За третьей пробкой закачивают последующие порции це­ ментного раствора, который под давлением глинистого раствора над четвертой пробкой вытесняется через отверстия муфты в за­ трубное пространство.

Двухступенчатое цементирование облегчает работу цементи­ ровочных насосов: при продавливании в затрубное пространство' первой порции цементного раствора внутри колонны находится столб цементного раствора второй порции, при продавливании второй порции цементного раствора давление в насосе значительно

153.

Рис. 53. Схема двухступенчатого цементирования.

-а — положение до вскрытия патрубка: Г — направляющий башмак, 2 — обратный клапан, з и 8 — обсадные колонны, 4 —■ первая пробка, 6 — первая порция цементного раствора, в — вторая пробка, 7 и 11 — глинистый раствор, 9 — отверстия для выхода пементного раствора, ю — опорное кольцо, 12 — муфта для двухступенчатого цементирования, 13 — третья пробка, 14 — обсадная колонна, 1а — вторая порция

раствор, 7 — глинистый раствор, 8 — обсадная колонна, 9 — третья пробка, 10 —■ ман­ жета, 11_ отверстие для выхода цементного раствора (открыто), 12 — вторая порция цементного раствора, 13 — четвертая пробка.

154

меньше, так как цементный раствор в затрубном пространстве поднимается на сравнительно небольшую высоту.

На рис. 54 изображена цементировочная муфта для двух­ ступенчатого цементирования, а также верхняя и нижняя пробки, успешно применявшиеся нашими инженерами на нефтяных и газовых месторождениях в Австрии в 1949—1954 гг.

При двухступенчатом цементировании необходимо, чтобы ко­ личество первой порции цементного раствора обеспечивало его подъем в затрубном пространстве выше места установки цементи­ ровочной муфты на 40—80 м и чтобы цементировочные насосы успели закачать цементный раствор в затрубное пространство до начала схватывания.

Рис. 54. Цементировочная муфта, верхняя и нижняя пробки для двухступен­ чатого цементирования.

1 — кожух; 2 — седло 1; з — предохранительное пружинное кольцо; 4 — цилиндр верх­ ний; 5 — резиновое кольцо; 6 — цилиндр нижний; 7 — седло II; 8 — переводник; 9 — вырезы; 10 — вырезы под замок против вращения в верхнем цилиндре; и — вырезы под замок против вращения в нижнем цилиндре.

Преимуществом двухступенчатого цементирования является возможность при помощи одной колонны обсадных труб изолиро­ вать от воды несколько продуктивных (нефтеносных и газоносных) горизонтов, залегающих на значительном расстоянии друг от друга.

В этом случае место установки цементировочной муфты опре­ деляется глубиной залегания верхнего продуктивного гори­ зонта, а не величиной минимальных давлений.

Первая порция цементного раствора должна изолировать от воды нижний нефтеили газоносный горизонт, а вторая пор­ ция — верхний нефтеили газоносный горизонт.

В результате цементирования стали поднимать цементный раствор в затрубном пространстве до устья скважины, благсй

155

Двухступенчатое цементирование впервые было применено в 1935 г. на промысле им. Азизбекова (Азербайджан) и в Ок­ тябрьском районе Грознефти.

На нефтяных и газовых месторождениях Матцена и Моль­ берта в Австрии инженерами Советского нефтяного управления за период 1949—1954 гг. было применено двухступенчатое цементи­ рование на 73 эксплуатационных скважинах в двух вариантах.

В одной группе скважин двухступенчатое цементирование применяли со сплошным заполнением затрубного пространства на высоту 1350—1400 м от забоя при глубине скважин в среднем

1700 м.

Во второй группе скважин двухступенчатое цементирование производили с разрывом, т. е. двумя отдельными интервалами. От забоя вверх цементный раствор поднимался в среднем на

500 м.

Вторую порцию цементного раствора закачивали через от­ верстия в обсадной колонне и поднимали на 300 м. Расстояние между обеими порциями цементного раствора в затрубном про­ странстве составляло 400 м.

В ряде районов при бурении нефтяных скважин перекрывают цементным раствором как продуктивную свиту, так и гораздо выше лежащую нефтеносную свиту, но в данных скважинах не эксплуатируемую. В связи с этим производят сплошное цемен­ тирование затрубного пространства с поднятием цементного раствора на большую высоту. Причем между двумя далеко от­ стоящими друг от друга свитами нет необходимости изолировать проходимые горизонты. В итоге получается избыточный расход большого количества дефицитного цемента и затрудняется про­ цесс цементирования.

В подобных случаях целесообразно производить ступенчатое цементирование, но с установкой цементировочной муфты ниже подошвы верхней нефтеносной свиты. Заслуживает внимания следующая методика ступенчатого цементирования эксплуата­ ционных колонн, предложенная в Татарии.

На эксплуатационной колонне устанавливают специальный патрубок с тремя клапанами, расположенными в одной горизон­ тальной плоскости под углом 120° друг к другу. Сверху и снизу каждого клапана приварены планки, предохраняющие клапаны при спуске колонны. Патрубок устанавливают с таким расчетом, чтобы после спуска он находился ниже угленосной свиты на 40— 50 м. Выход цементного раствора через отверстия возможен лишь при давлении 85—90 ат. На первую нижнюю трубу колонны наворачивают башмак с обратным клапаном, при помощи которого цементируют угленосную свиту, не ожидая полного затвердения цементного раствора в пашийских слоях.

Цементируют следующим образом. Первую порцию цемент­ ного раствора, предназначенную для перекрытия пашийской свиты, при помощи верхней пробки, как и при сплошном цементи-

156

ровании, поднимают в затрубное пространство через башмак

трубы до зоны установки клапанов. Когда в процессе закачки второй порции цементного раствора давление повысится до 80 ат, при котором открываются клапаны, цементный раствор закачи­ вают в затрубное пространство для перекрытия угленосной свиты.

По окончании продавки цементного раствора давление сни­ жают, клапаны при помощи пружин закрываются, предотвращая поступление цементного раствора обратно внутрь колонны. Затем насосно-компрессорные трубы промывают (причем из эксплуа­ тационной колонны вымывается цементный раствор) и подни­ мают. После затвердения цементного раствора отбивают цемент­ ный камень в верхней и нижней зонах.

Цементирование эксплуатационной колонны при помощи спе­ циальных клапанов позволяет экономить на каждой скважине 25—30 т тампонажного цемента и создавать надежное цемент­ ное кольцо в необходимых интервалах.

§4. Цементирование «хвостовика» (фильтра)

Внекоторых случаях приходится цементировать «хвостовик», или фильтр, предусмотренный конструкцией скважины.

Взависимости от того, спускаются ли

обсадные трубы частично перфорирован­ ные или без отверстий, путь движения цементного раствора различен.

жидкостью и в верхнюю воронку муфты ввертывают левый пере­ водник, затем спускают на бурильных трубах. Так как внутри труб жидкости нет, то во избежание смятия обсадных труб во время

157

череа^ башмак колонны. Количество продавочной жидкости при­ нимают равным внутреннему объему бурильных и обсадных труб, за исключением объема, оставляемого в нижней части обсадных труб для заполнения цементным рас­

твором («цементный стакан»).

Когда все количество жидкости закачано, вращением вправо отвинчивают бурильные трубы от обсадных и приподнимают на несколько мет­ ров вверх. Затем прокачивают через них жидкость для удаления из бурильных труб и из скважины избыточного количества цементного раствора, если последний поднялся выше верхней муфты

цементного раствора или пока не будет прокачана жидкость в количестве, соответствующем полу­ торному или двукратному объему скважины.

Если в скважину спускают обсадные трубы, частично перфорированные (с фильтром), то их

в предыдущем варианте. Чтобы предотвратить обратное поступление цементного раствора в ко­ лонну после отвертывания бурильных труб, ниже отверстия устанавливают заглушку или клапан, открывающийся вверх, а над ними — обратный клапан.

158

Чтобы уменьшить расход металла, в Татарии вместо 88/к'Л промежуточной колонны спускают «хвостовик» на бурильных трубах, останавливают его несколько ниже подошвы изолируе­ мого горизонта и цементируют.

На рис. 56 изображена конструкция верхней части такого «хвостовика», т. е. части колонны обсадных труб.

§5. Цементирование с противодавлением

Втех случаях, когда в процессе цементирования или вскоре после него возможны интенсивные газопроявления, перелив воды или фонтанирование нефти, целесообразнее применять цементи­ рование с противодавлением.

Этот метод отличается от обычного тем, что затрубное про­

странство до цементирования герметизируется превентором и

разом. Цементный раствор закачивают обычным способом при открытом устье скважины до конца его продавки. Когда же цементный раствор будет поднят в затрубном пространстве на соответствующую высоту, нагнетают глинистый раствор (или воду) и создают необходимое противодавление.

§ 6. Цементирование при высоком давлении (цементирование под давлением)

При любом методе цементирования цементный раствор про­ давливается в затрубное пространство некоторым давлением, являющимся суммой давлений: 1) от разности удельных весов цементного и глинистого растворов и 2) от гидравлических со­ противлений.

Если эти давления не превышают 100 ат, то цементирование относят к категории обычных и различают только по методу закачки цементного раствора (нормальный через башмак колонны, манжетное цементирование и т. д.).

Но в некоторых специфических случаях цементный раствор закачивают в скважину и продавливают в проницаемые породы под весьма высоким давлением 300 ат и более. Такое цементиро­ вание получило название «цементирование под давлением».

Вначале цементирование под давлением применяли только для ликвидации прорыва верхней или подошвенной воды, позднее стали применять значительно шире: для снижения высокого газового фактора и для локального разобщения пластов с целью одновременной эксплуатации нескольких горизонтов.

В процессе интенсивной добычи нефти растет обводненность скважин подошвенной водой, особенно на девонских месторо­ ждениях платформенного типа.

До последних лет подошвенные воды в период эксплуатации скважин изолировали закачкой цементного раствора под да-

159

влением до 80 ат с последующим разбуриванием цементного ста­ кана или вымыванием оставшегося после закачки цементного раствора. Так как в пласт при обоих вариантах задавливается небольшое количество цементного раствора (до 0,5 лг3 в условиях девонских скважин), то на востоке значительное количество

Объем продавочной воды равен объему насосно-компрессорных

труб.

После поднятия некоторого количества труб (до 14 м) пакер срывают и обратной промывкой вымывают оставшийся на забое цементный раствор.

Колонну в интервале нефтеносности простреливают после подъема пакера и затвердения цементного раствора.

Весь процесс закачки осуществляется в течение 25—30 мин.

160

I Проведенные по описанному способу работы на шести девон­ ских скважинах средней глубиной 1750 м показали значительное снижение поступления воды.

Гидравлический разрыв пласта следует проводить непосред­ ственно после бурения (перед сдачей в эксплуатацию), когда вскры­ ваются пласты с подошвенной водой.

При цементировании под высоким давлением во время капи­ тального ремонта эксплуатационных скцажин не так важна

ком методе цементирования могут применяться растворы, даю­ щие менее прочный цементный камень, чем при обычном цементи­ ровании обсадных колонн, т. е. растворы с повышенным водо-

Рис. 58. Водоотдача различных цементных растворов.

бентонита; 7 — то же В : Ц = 0.6 с добавкой 4 % бентонита.

цементным отношением. Однако с' повышением водо-цементного отношения уменьшается стабильность цементной суспензии и увеличивается ее водоотдача [10].

Цементные растворы с высокой водоотдачей при закачке в кольцевое пространство образуют против проницаемых частей пласта уплотненную корку, которая быстро схватывается и затрудняет закачку и плотную укладку цементного раствора за колонной.

Одновременно с повышением водо-цементного отношения рас­ творов, применяемых для цементирования под давлением, необ­ ходимо повысить их стабильность и снизить водоотдачу. Это достигается повышением степени дисперсности самого цемента и введением в цементную суспензию различных веществ, так назы­ ваемых пластификаторов.

На рис. 58 приведены кривые водоотдачи различных цемент­ ных растворов, полученные на приборе ВМ-6. Из кривых видно,

отверстиями на 1 см2. Такая цементная суспензия лучше прони­ кает в пласт, чем обычный цементный раствор.

Из практики цементирования под давлением девонских пес­ чаников в Туймазах установлено, что цементный раствор в пласт не проникает. Проникает только фильтрат в количестве 0,2—0,3 м3 под давлением 80—100 ат. Отсюда можно предположить, что в де­ вонском горизонте нет таких трещин, в которые мог бы проник­ нуть высоковязкий цементный раствор с водо-цементным отно­ шением 0,5.

В связи с этим во всех случаях цементирования под давлением при капитальном ремонте скважин в Туймазах, а также и в дру­ гих районах с аналогичными геологическими условиями реко­ мендуется применять цементные растворы, имеющие малую водо­ отдачу, невысокую вязкость и высокую стабильность, что спо­ собствует лучшему цементированию неплотностей по сравнению с цементным раствором обычной консистенции.

Я. А. Шварц утверждает, что цементирование под давлением, проводившееся на Азербайджанских нефтяных промыслах, почти на 100% оказалось успешным в тех скважинах, где цементиро­ вание эксплуатационных колонн обычным способом было без­ результатным.

Такой же точки зрения придерживается и М. Г. Аскеров [10]. Из наблюдений за результатами цементирования под давле­ нием был сделан вывод, который на первый взгляд как бы противоречил существующему мнению о том, что «вода, движу­ щаяся в нефтяном коллекторе, обводняет пласт на пути своего движения и затрудняет приток нефти к забою скважины» [92 ]i. Из практики цементирования под давлением установили, что вода, нагнетаемая под давлением, легче приходит в пористые пласты, уже насыщенные водой или газом, нежели в нефтяной пласт. Эти выводы были проверены наблюдениями за эксплуата­ цией на месторождениях, где верхняя часть продуктивного пласта

нефти из недр под действием нагнетаемой в пласт воды. Попытки искусственного заводнения нефтеносного пласта не давали эф­ фекта до тех пор, пока не были перекрыты и зацементированы верхние газоносные пески, несмотря на то, что пористость и проницаемость обоих пластов были одинаковы [92].

Для доказательства этого предполржения приводятся следую­ щие факты:

1) вода легко проходит в газоносные слои в значительных количествах, в то время как нефтеносный пласт приходится торпедировать, чтобы он мог пропустить значительное коли­ чество воды;

2) вода проходит в значительных количествах через неперекрытый газоносный слой от нагнетательной скважины до про­ дуктивной на расстоянии 60 м в течение нескольких недель,

162