Архив WinRAR_1 / Лекции_ХИМИЯ

Основные понятия процесса цементирования скважины Цементированием называется процесс заполнения заданного

интервала скважины суспензией вяжущих материалов, способной в покое загустевать и превращаться в прочный, практически непроницаемый камень.

В нефтегазодобывающей промышленности цементирование широко применяется для решения следующих задач:

а) изоляции насыщенных жидкостями и газом проницаемых горизонтов друг от друга после того, как они вскрыты скважиной; б) создания высокопрочных мостов в скважине, способных воспринимать

достаточно большие осевые нагрузки (например, при забуривании новых стволов, при опробовании горизонтов испытателями пластов с опорой на забой и др.)

в) создания разобщающих экранов, препятствующих обводнению продуктивных горизонтов; г) удержания в подвешенном состоянии обсадной колонны;

д) защиты обсадной колонны от воздействия агрессивных пластовых жидкостей и газов, вызывающих коррозию металла; е) ликвидации поглощения промывочной жидкости;

ж) упрочнения стенок скважины в неустойчивых породах.

Конструкция скважины

Для разобщения пластов, предотвращения обвалов стенок скважины, предотвращения поглощений и проявлений в скважину спускаются обсадные трубы. Пространство между трубами и стенками скважин закачивается цементный раствор.

Конструкция скважины – это совокупность данных о количестве, глубинах спуска, диаметрах и пространственном расположении обсадных колонн, диаметрах долот под каждую обсадную колонну и интервалах цементирования.

Каждая колонна, входящая в колонну скважины имеет свое назначение.

2

Шахтное направление - самая большая обсадная колонна, предназначена для предохранения устья скважины от размыва, предохранения стенок скважины от осыпания, направления промывочной жидкости в желобную систему. В зависимости от прочности пород глубина спуска составляет от 5м до 40м. Диаметр колонны 245 – 1250 мм.

Кондуктор - изолирует водоносные пласты, перекрывает неустойчивые породы, обеспечивает возможность установки противовыбросового оборудования. Глубина спуска от 200 до 800 метров. Диаметр колонны 177 - 508 мм.

Промежуточная колонна - служит для перекрытия платов при трудных геологических условиях бурения (несовместимые по пластовым давлениям пропластки, зоны высокого поглощения, отложения, склонные к набуханию, осыпанию и т.п.). Диаметр колонны 127 – 340 мм.

Промежуточные обсадные колонны могут быть следующих видов: сплошные - перекрывающие весь ствол скважины от забоя до ее устья

независимо от крепления предыдущего интервала; хвостовики - для крепления только необсаженного интервала скважины

с перекрытием предыдущей обсадной колонны на некоторую величину; летучки - специальные промежуточные обсадные колонны, служащие

только для перекрытия интервала осложнений и не имеющие связи с предыдущими или последующими обсадными колоннами.

Эксплуатационная колонна - предназначена для разобщения продуктивных горизонтов между собой и от других пластов, а также для транспортирования пластового флюида на поверхность или для нагнетания в пласт жидкости или газа. Иногда в качестве эксплуатационной колонны может быть использована (частично или полностью) последняя промежуточная колонна. Сочетание обсадных колонн различных диаметров, составляющих конструкцию скважины, зависит от диаметра эксплуатационной колонны. Диаметр колонны 114 -298 мм.

3

Цементирование обсадной колонны - одна из самых ответственных операций, от успешности которой зависит дальнейшая нормальная эксплуатация скважины. Способ цементирования выбирают в зависимости от вида колонны, спущенной в пробуренный ствол.

Способы цементирования

Цементирование включает пять основных видов работ: приготовление тампонажного раствора, закачку его в скважину, подачу тампонажного раствора в затрубное пространство, ожидание затвердения закачанного материала и проверку качества цементировочных работ. Оно проводится по заранее составленной программе, обоснованной техническим расчетом.

Существует несколько способов цементирования. Они различаются схемой подачи тампонажного раствора в затрубное пространство и особенностями используемых приспособлений. Возможны два варианта подачи тампонажного раствора в затрубное пространство: раствор, закачанный внутрь цементируемой обсадной колонны, проходит по ней до башмака и затем поступает в затрубное пространство, распространяясь снизу вверх (по аналогии с промывкой называется цементированием по прямой схеме); тампонажныи раствор с поверхности подают в затрубное пространство, по которому он перемещается вниз (цементирование по обратной схеме).

В промышленных масштабах применяют способы цементирования по прямой схеме. Если через башмак обсадной колонны в затрубное пространство продавливают весь тампонажныи раствор, то способ называется одноступенчатым (одноцикловым) цементированием. Если обсадная колонна на разных уровнях оснащена дополнительными приспособлениями (заливочными муфтами), позволяющими подавать тампонажный раствор в затрубное пространство поинтервально на разной глубине, то способ цементирования называется многоступенчатым (многоцикловым). Простейший и наиболее распространенный способ многоступенчатого цементирования — цементирование в две ступени

4

(двухступенчатое). Иногда возникает необходимость не допустить проникновения тампонажного раствора в нижнюю часть обсадной колонны, расположенную в интервале продуктивного пласта; тогда этот интервал в затрубном пространстве изолируется манжетой, установленной на обсадной колонне. Этот способ цементирования называется манжетным. Выделяются также способы цементирования потайных колонн и секций, поскольку тампонажный раствор в этом случае закачивают по бурильной колонне, на которой спускают секцию или потайную колонну.

Факторы, определяющие качество цементирования скважин

Важность качественного цементирования обусловлена тем, что это заключительный этап строительства скважин, поэтому неудачи при его выполнении могут свести к минимуму ожидаемый эффект, стать причиной неправильной оценки перспективности разведываемых площадей, появления «новых» залежей нефти и, особенно, газа в коллекторах, перетоков флюидов, грифонообразования, газопроявлений и т.д. В настоящее время изучено значительное число факторов, определяющих качество цементирования скважин:

положительные технологические свойства тампонажных растворов;

совместимость и взаимосвязь свойств буровых и тампонажных растворов;

режим движения буровых и тампонажных растворов в заколонном пространстве;

объем закачиваемого тампонажного раствора, время его контакта со стенкой скважины;

качество и количество буферной жидкости;

режим расхаживания колонны в процессе цементирования;

применение скребков;

центрирование колонны;

использование элементов автоматизации, приспособлений и устройств для повышения качества цементирования.

5

Материалы для приготовления тампонажных цементных растворов

Тампонажный материал (вяжущее);

Жидкость затворения: пресная вода, минерализованная вода, прямая/обратная эмульсия, углеводородная жидкость;

Добавки, регулирующие свойства раствора и образующегося из него цементного камня.

Тампонажные материалы

Тампонажными называются материалы, которые при затворении с водой образуют суспензии, способные в условиях скважины со временем превращаться в практически непроницаемое твердое тело. Самыми распространенными тампонажными материалами являются цементы различных видов. В последние годы расширяется применение также пластических масс и смол.

По ГОСТ 30515-97 в зависимости от вида клинкера цементы подразделяют на основе:

портландцементного клинкера;

глиноземистого(высокоглиноземистого) клинкера;

сульфоалюминатного (-ферритного)клинкера.

Цементы на основе портландцементного клинкера подразделяются на:

Портландцемент (без минеральных добавок).

Портландцемент с добавками (с активными минеральными добавками не более 20 %).

Шлакопортландцемент (с добавками гранулированного шлака более

20%).

Пуццолановый портландцемент (с активными минеральными добавками свыше 20 %).

Цементы на основе глиноземистого цементного клинкера

подразделяются на:

Глиноземистый цемент с содержанием Аl2О3 более 30 и менее 60 %.

Высокоглиноземистый цемент с содержанием Аl2О3 60 % и более.

6

Гипсоглиноземистый цемент

Портландцемент - это гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем совместного тонкого измельчения клинкера и гипса, а иногда и специальных добавок. Портландцемент получают тонким измельчением клинкера и гипса. Клинкер — продукт равномерного обжига до спекания однородной сырьевой смеси, состоящей из известняка и глины определённого состава, обеспечивающего преобладание силикатов, алюминатов и алюмоферритов кальция.

Глинозёмистый и высокоглинозёмистый цементы (по зарубежной номенклатуре - алюминатные цементы) получают размолом соответственно глинозёмистого и высокоглинозёмистого клинкера. Клинкер глинозёмистого (ГЦ) и высокоглинозёмистого (ВГЦ) цементов в качестве основных минералов содержит низкоосновные алюминаты кальция (СаО/Аl2О3 мольн. < 1,0), а содержание глинозёма в таких цементах находится в пределах от 35% для ГЦ до 60-80% для ВГЦ (ГОСТ 969).

Цементный камень из ГЦ характеризуется высокой водонепроницаемостью, морозостойкостью, а также высокой химической стойкостью, в частности, к сульфатной и углекислотной коррозии, однако не стоек к действию щелочей и свободных кислот. Применяют глинозёмистый цемент, чаще всего, при проведении аварийных и ремонтных работ, а также для производства конструкций и материалов в тех случаях, когда требуется быстрое обеспечение прочности.

Шлакопесчаные цементы получаются путем совместного помола гранулированного доменного шлака и кварцевого песка, а также портландцементного клинкера. Камень из шлакопесчаных цементов обладает более высокой прочностью и большей коррозионной стойкостью в пластовых водах, чем камень из портландцемента.

Облегченные тампонажные цементы предназначены для получения цементных растворов с плотностью менее 1800 кг/м3. Приготовляют их путем совместного помола портландцементного клинкера и активной

7

минеральной добавки или путем смешения цементного порошка с тонкоизмельченной добавкой. Минеральную добавку подбирают так, чтобы после помола удельная поверхность ее была 1000 м2/кг или более. В качестве таких добавок используют диатомит, трепел, опоку, вулканический пепел, пемзу, а также бентонитовые глины и вспученный перлит.

В скважинах с температурой до 60—80° С широко применяют гельцементы, получаемые путем смешения тампонажного портландцемента с бентонитовым глинопорошком.

Утяжеленные цементы готовят путем совместного помола клинкера с минеральными добавками высокой плотности (4000 кг/м3 и выше) или путем смешения тампонажного портландцемента с тонкоизмельченной добавкой. В качестве добавок используют барит и железные руды.

Расширяющиеся цементы предназначены для приготовления растворов, расширяющихся при твердении. При цементировании «холодных» скважин используют смеси тампонажного портландцемента (80—90% от массы смеси) с гипсоглиноземистым цементом (10—20%), а также тампонажного портландцемента с молотой негашеной известью.

При цементировании скважин обычно применяют только первый вид - тампонажные цементы на основе портландцемента.

Требования к составу и свойствам тампонажных портландцементов сформулированы в технических условиях:

-ГОСТ 1581-96 (российский стандарт);.

-Спецификация 10А Американского нефтяного института (наиболее широко используемый в мире стандарт для тампонажного цемента)

Классификация портландцементов тампонажных по ГОСТ 1581-96

«Портландцементы тампонажные. Технические условия»

Тампонажные цементы подразделяются по следующим признакам: вещественный состав, плотность, температура применения, стойкость к агрессивному воздействию на цементный камень пластовых сред (сульфатостойкость).

8

Типы цемента в соответствии с ГОСТ 1581-96 «Портландцементы

тампонажные. Технические условия»:

I - тампонажный портландцемент бездобавочный;

I-G - тампонажный портландцемент бездобавочный с нормированными требованиями при водоцементном отношении, равном 0,44;

I-Н - тампонажный портландцемент бездобавочный с нормированными требованиями при водоцементном отношении, равном 0,38;

II - тампонажный портландцемент с минеральными добавками;

III - тампонажный портландцемент со специальными добавками, регулирующими плотность цементного теста.

По плотности цементного теста цементы подразделяют на:

облегченный (Об);

утяжеленный (Ут).

По температуре применения цементы типов I, II и III подразделяют на цементы, предназначенные для:

50 - низких и нормальных температур (15-50)°С;

100 - умеренных температур (51-100)°С;

150 - повышенных температур (101-150)°С.

По сульфатостойкости цементы подразделяют на:

а) типы I, II и III

•обычный (требования по сульфатостойкости не предъявляют);

•сульфатостойкий (СС);

б) типы I-G и I-Н

•высокой сульфатостойкости (СС-1);

•умеренной сульфатостойкости (СС-2).

9

Классификация портландцементов тампонажных

по Спецификации 10А АНИ

Наиболее широко используемым в мире стандартом для тампонажного цемента является Спецификация 10А, разработанная Американским нефтяным институтом.

Классы цемента в соответствии со Спецификацией 10А АНИ:

А Продукт, полученный в результате измельчения портландцементного клинкера и одной или нескольких форм сульфата кальция. Изготовитель может использовать при производстве цемента добавки, но их количество не должно превышать значений, определенных требованиями ASTM C465. Предназначен для цементирования скважин глубиной до 1800 м в условиях, когда цементу не предъявляют специальные требования. Этот цемент аналогичен портландцементу типа I по стандарту

ASTM.

B Продукт, полученный в результате измельчения портландцементного клинкера и одной или нескольких форм сульфата кальция. Изготовитель может использовать другие добавки в соответствии с требованиями АSТМ С 465. Предназначен для цементирования скважин глубиной до 1800 м в условиях, когда требуется сульфатостойкость цемента. Выпускается цемент средней (MSR) и высокой (HSR) сульфатостойкости.

С Продукт, полученный в результате измельчения портландцементного клинкера и одной или нескольких форм сульфата кальция. Применяется для цементирования скважин глубиной до 1800 м в условиях, когда требуется высокая начальная прочность цементного камня. При этом цемент может быть обычным или среднеили высокосульфатоскойким.

D Продукт, полученный в результате измельчения клинкера портландцемента с одной или несколькими формами сульфата кальция. Могут применяться модификаторы твердения. Этот вид цемента используется при цементировании скважин глубиной 1800 - 3600 м в

10

условиях высоких температур и давлений. Цемент должен быть средне - или высокосульфатостойк

Е Продукт, полученный в результате измельчения клинкера портландцемента и одной или нескольких форм сульфата кальция. Предназначается для цементирования скважин глубиной 1800 - 4200 м в условиях высоких температур и высокого давления. Применяется цемент среднего или высокосульфатостойкого типа.

FПродукт измельчения портландцементного клинкера с одной или несколькими формами сульфата кальция. Могут быть использованы модификаторы твердения. Этот класс цемента предназначается для цементирования скважин глубиной 3000 - 5000 м в условиях высоких температур и давлений. Цемент должен быть средне - или высокосульфатостойким.

GПродукт, полученный в результате измельчения портландцементного клинкера с добавкой одной или нескольких разновидностей сульфата кальция. Предназначен в качестве базового цемента для цементирования скважин глубиной до 2500 м. Выпускается цемент двух сортов: MSR и HSR.

HПродукт, полученный измельчением портландцементного клинкера и сульфата кальция. Предназначается для использования в скважинах глубиной до 2400 м. При введении ускорителей или замедлителей твердения может применяться для цементирования в широком диапазоне температур и давлений. Цемент предназначен в качестве базового цемента, отличается от цемента класса G более грубым помолом.

JПри выпуске не допускается вводить ничего кроме сульфата кальция. Может быть осуществлен совместный помол клинкера, гипса и воды. Могут быть использованы ускорители или замедлители твердения. Предназначен для скважин глубиной 3600 - 4800 м в условиях экстремально высоких температурах и давлениях.

11