Необходимость расхаживания обсадных колонн в процессе цементирования скважин

THE NEED FOR RECIPROCATING MOVEMENT IN THE PROCESS OF WELLS CEMENTING

A. BULATOV, Professor Krasnodar

Расхаживание обсадных колонн как метод создания герметичной крепи и рекомендации по его использованию.

Reciprocating movement as a method of creating a sealed roof support and advice on how to use.

Вследствие невертикальности даже «вертикальных» скважин после спуска обсадная колонна в различных местах прилегает к стенке ствола. Естественно, оборудование колонны центраторами способствует центрированию колонны, но не полностью решает эту задачу. В местах прилегания колонны к стенке образуются зоны защемленного бурового раствора. Поток движущихся буферной жидкости и тампонажного раствора, даже при турбулентном режиме течения, но действующий кратковременно, не в состоянии разрушить эти зоны и удалить находящийся в них буровой раствор. Говорить об удалении глинистой корки едва ли стоит: в зоне сближения обсадных труб с проницаемыми участками ствола скважины толщина глинистой корки значительно превосходит ее средние размеры.
Если поток цементного раствора движется в структурном (или в ламинарном) режиме, то разрушение зоны защемленного бурового раствора вообще не представляется возможным.

Борьба за герметичность

Что же делать? Необходимо обеспечить герметичность зацементированного заколонного пространства, а это невозможно, так как глинистый раствор остается не полностью вытесненным, на месте остается и глинистая корка. Как же добиться герметизации?
Гарантированной стопроцентной герметизации добиться непросто. Но есть очень перспективный способ – образовать в цементируемом заколонном пространстве почти однородный цементно-бентонитовой раствор, близкий по свойствам к тому, который готовится специально для цементирования скважин облегченным тампонажным раствором, широко применяющимся. Это – перемешивание движущегося цементного (тампонажного) раствора с не желающим быть полностью вытесненным глинистым раствором да еще с включением в процесс перемешивания (смешения) сдираемой скребками глинистой корки. И это единственный доступный способ воздействовать на изменение ситуации с цементированием заколонного пространства и гарантированно повысить вероятность обеспечения его герметичности. Путь достижения цели – вертикальные перемещения обсадной колонны в процессе выхода цементного раствора в заколонное пространство и продавливания его до установленной отметки. В работах зарубежных специалистов расхаживание обсадных колонн при продавке цементного раствора используется даже при строительстве глубоких скважин (5000 м и более). В нашей практике метод используют энтузиасты, широкого применения он пока не получил.

Поток движущихся буферной жидкости и тампонажного раствора, даже при турбулентном режиме течения, но действующий кратковременно, не в состоянии разрушить зоны защемленного бурового раствора и глинистой корки.

С вращением колонн сложнее – извест­ны два опубликованных случая применения вращения обсадной колонны в бывшем СССР – в Узбекистане (У.Д. Мамаджанов) и Башкирии (С.М. Ахунов). Есть сведения о производственном использовании в некоторых случаях этого метода за рубежом (опубликованных результатов нет, так как это связано с необходимостью введения новой самостоятельной операции в процесс заканчивания скважин). Позже устройство для вращения обсадной колонны в процессе ее цементирования было разработано во ВНИИКРнефти В.М. Мильштейном и А.В. Лазаревым (универсальная трехсекционная головка, специальный вращающийся переводник и др.). Но дальше экспериментальных образцов дело не продвинулось. В американской практике вращение цементируемой обсадной колонны иногда применялось. Считается, что чем больше частота вращения, тем выше вероятность успешного цементирования в скважинах всех типов. Г.Р. Бауман («Ашленд эксплоратион», Хьюстон, шт. Техас) и Б. Шерер («Александер ойл тулз», Хьюстон) сообщали, что коэффициент замещения бурового раствора при этом превысил 92%, что, бесспорно, является сомнительным выводом.
Метод вертикального перемещения колонн более действенен для разрушения защемленного загустевшего бурового раствора в «мертвых» зонах, чем их вращение, но сравнительная эффективность методов в практических условиях не проверялась.
Метод допускает и предполагает использование скребков для очистки стенки скважины от глинистой корки.


Итак, основной причиной положительного влияния эффекта расхаживания обсадных колонн на полноту вытеснения бурового раствора является разрушение структуры бурового раствора, находящегося в защемленных зонах, и остальной части заколонного пространства за счет возвратно-поступательного движения колонны труб, которое приводит к изменению ее положения относительно стенки скважины. А это открывает доступ потоку буферной жидкости и цементного раствора в желобные выработки и застойные зоны. Остатки бурового раствора выше цементного раствора выносятся его потоком, оставшиеся в зоне движения цементного раствора с ним перемешиваются, и вероятность оставления протяженного вдоль ствола скважины скопления бурового раствора в защемленных зонах заметно снижается или становится равной нулю (прямых экспериментов не проводилось). При этом при движении колонны вверх цементный раствор затягивается в изменяющиеся по размерам желобные выработки, вытесняя буровой раствор. Механизм разрушения застойных зон различных по составу буровых растворов в результате возвратно-поступательного движения обсадной колонны в вертикальных, наклонных и горизонтальных стволах не изучен. В любом случае невытесненный буровой раствор перемешивается с цементным, и вероятность возникновения каналов в этих местах может быть сведена к нулю.

Перспективный способ герметизации – перемешивание движущегося цементного (тампонажного) раствора с не желающим быть полностью вытесненным глинистым раствором да еще с включением в процесс перемешивания (смешения) сдираемой скребками глинистой корки.

При наличии скребков (скребки были изготовлены и применены в скважинах Затеречного месторождения мною и Г.П. Домановым) в процессе расхаживания обсадной колонны повышается вероятность обеспечения контакта цементного раствора с породами.
При планировании проведения процессов расхаживания обсадных колонн необходимо иметь представление о возникающих при этом давлениях, в зависимости от объемов заколонного пространства, глубины скважины, режимов расхаживания, реологических свойств бурового и тампонажного растворов. Задача усложняется тем, что цементные растворы изменяют свои реологические свойства в зависимости от действия температуры, давления и времени расхаживания колонны.
То же относится и к свойствам смесей цементного и глинистого растворов. Изменение давления в процессе расхаживания непосредственно не оказывает влияния на полноту вытеснения бурового раствора цементным, но может привести к осложнениям: при движении колонны вниз – к гидроразрыву, при движении вверх – к возможному возбуждению коллектора. Поэтому мною, наряду с расчетами, накапливались данные по результатам экспериментов. Все это представлено в [1]. Там же приведено и описание оборудования для расхаживания обсадных колонн (хотя можно проводить процесс «с крюка»). Остановлюсь на выводах. На рост давления при расхаживании обсадных колонн оказывают влияние следующие факторы: динамическое напряжение сдвига tо, пластическая вязкость h и скорость движения колонны v. Чем больше глубина скважины (длина колонны), тем, при прочих равных обстоятельствах, выше давление. Уменьшение динамического напряжения и пластической вязкости тампонажных растворов применением реагентов – наиболее действенное мероприятие по снижению давления.

Рекомендации по технологии расхаживания

Расхаживание обсадных колонн при цементировании скважин является кардинальным мероприятием повышения качества разобщения пластов (в том числе и с разгрузкой обсадной колонны на забой, применением эксцентриков или без них), обеспечения при движении цементного раствора колебательных процессов (или без них и прочих придуманных способов). Поэтому остановлюсь на технологических особенностях процесса.


Безаварийное расхаживание обусловливается правильным выбором параметров проведения процесса. К управляемым параметрам процесса цементирования с расхаживанием обсадной колонны (к технологии) относятся: скорость расхаживания (подъем и спуск); – амплитуда расхаживания; – скорость восходящего потока тампонажного раствора в заколонном пространстве (подача ЦА); – момент начала и конца процесса; – число и номенклатура элементов заколонной оснастки (при проектировании процесса), в первую очередь, скребков; – наличие, объем и качество буферной жидкости (при проектировании процесса); – водоотдача тампонажного раствора (при проектировании и при использовании скребков).

Расхаживание обсадных колонн при цементировании скважин является кардинальным мероприятием повышения качества разобщения пластов.

Правильный выбор сочетания этих (управляемых и способствующих лучшему результату) параметров обеспечивает оптимальный режим расхаживания и позволяет получить качественное разобщение пластов. Процесс расхаживания не обязательно следует закончить с окончанием процесса продавки тампонажного раствора. Целесообразно произвести еще несколько циклов. Количество их может определиться временем загустевания тампонажного раствора. Тогда время расхаживания Тр, время проведения процесса цементирования Тц и время загустевания раствора Тз находятся в следующей зависимости: Тз > Тр > Тц.. Объяснение целесообразности расхаживания колонны после заканчивания продавки тампонажного раствора состоит в том, чтобы предупредить расслоение раствора и отделение от него воды с возможным образованием водяных зон («поясов»), скопление ее под любыми поверхностями, особенно в случае применения чистого цементного раствора. На практике расхаживание колонны нами проводилось до момента закачки 70 – 90% продавочной жидкости, в некоторых случаях до посадки пробки на стоп-кольцо.
Когда цементный раствор полностью продавлен в заколонное пространство, нагрузка на пласты максимальная. Расхаживание колонны в это время повысит вероятность гидроразрыва пласта. В данном случае необходимо руководствоваться давлением гидроразрыва пластов на каждой конкретной площади.
Для определения параметров расхаживания необходимо конкретизировать цель проведения операции:
– для перемешивания бурового раствора и разрушения зон защемления бурового раствора;
– для перемешивания бурового раствора, разрушения зон защемления бурового раствора и снятия глинистой корки со стенки скважины (любого коллектора).
Первый случай описан. Однако пока нет математических зависимостей, определяющих полноту вытеснения бурового раствора вообще и с применением метода расхаживания обсадных колонн – тем более.
Что касается второго случая, есть свои особенности, так как стоит конкретная и непростая задача – счищение глинистой корки, имеющей определенные физико-механические свойства и распространенность по стволу скважины в интервале подъема цементного раствора. Наши экспериментальные работы (совместно с Г.П. Домановым) показали, что к 25 циклам расхаживания при использовании скребка (по качеству уступающего скребкам конструкции ВНИИКРнефть) удаляется 93 – 95% глинистой корки, и дальнейшее расхаживание становится нецелесообразным.
Возникает задача проведения необходимого числа циклов расхаживания за время Тр.
Если обозначить скорости спуска и подъема колонны соответственно через u1 и u2, а амплитуду расхаживания через lа, то время для проведения k циклов расхаживания Тр’ можно определить по формуле:
Тр’ = kla(1/u1 + 1/u2).
Как указывалось выше, Тр ≥ Тр’, иначе глинистая корка не будет удалена.
Поэтому необходимо иметь запас времени для проведения необходимого количества циклов расхаживания.
На практике расхаживание колонн проводилось с различными скоростями: от 0,1 – 0,3 до 1,0 – 1,5 м/с. Подача насосов при расхаживании используется с учетом опыта проведения операции и выражается через скорость восходящего потока. Рекомендуются самые различные скорости восходящего потока: до 4,5 м/с (В.Б. Разумов) [2].
Один из параметров расхаживания – амплитуда. Чтобы выбрать величину, вначале надо определить длину интервала удаления глинистой корки. Амплитуду расхаживания следует определять в зависимости от расстояния между скребками: при расстоянии 9 – 10 м колонну расхаживают на 9 – 12 м. Более правильно: амплитуда расхаживания колонны la является определяющей при выборе расстояния между скребками lc. Если ставится задача удаления глинистой корки большой протяженности L, то, принимая la = lc, число скребков nc = L/la. Если ставится задача создания перемычек небольшой протяженности, можно принять la равной протяженности перемычки, что обеспечит дополнительный резерв времени для проведения процесса расхаживания. Расстояние между скребками определяется также геологическими условиями (при разобщении пластов друг от друга) или принимается равным расстоянию между перемычками, а число скребков – числом перемычек.
Есть еще одно колоссальное преимущество цементирования скважин с расхаживанием обсадной колонны в процессе движения в заколонном пространстве тампонажного раствора: перемешивание самого раствора. Что в данном случае это даст? Многое:
– разрушение защемленных зон глинистого раствора и заполнение этих мест тампонажным; – повышение коэффициента замещения глинистого раствора тампонажным; – перемешивание загустевающего тампонажного раствора, разрушение его структуры, а следовательно (для желающих), поддержание активного давления столба тампонажного раствора. Причем этот процесс можно осуществлять до момента, близкого к началу схватывания раствора, когда уже отпадут сомнения о возможности прорыва газа через него или возникновения перетоков между близко расположенными пластами со значительным перепадом давления; при использовании скребков – очищение стенки скважины от глинистой корки. Здесь возникает практический вопрос: в каких местах стенки скважины снимать глинистую корку (или вообще очищать стенку ствола), чтобы впоследствии при разрушении на ее месте не возникли бы каналы. От интервала удаления глинистой корки зависит расстояние между скребками, их число и амплитуда расхаживания. Ее или застоявшийся глинистый раствор в виде налипшей массы рекомендую удалять над продуктивным горизонтом (если разрез не представлен кавернами), хотя немало случаев установки двух-трех скребков: один – против подошвы, другой – против кровли продуктивного пласта. От такого применения скребков пользы не будет. С продуктивного пласта снимать ее нецелесообразно, хотя бы из-за того, чтобы не создать более свободного прохождения в него фильтрата цементного раствора; кроме того, при перфорации ее наличие создаст облегченные условия прострела призабойной зоны пласта (ПЗП), так как глинистая корка к тому времени окажется разрушенной за счет контракции. Во всех остальных интервалах глинистую корку целесообразно снимать, особенно там, где есть опасения перетоков из пласта в пласт. Для расхаживания подвешенной обсадной колонны при цементировании можно обходиться имеющимся оборудованием и производить подъем и спуск ее даже на 2 – 2,5 м. Однако можно использовать усовершенствованный нагнетательный манифольд, и тогда расхаживание возможно на длину хода до 12 м.

Литература

1. Булатов А.И. Технологии цементирования нефтяных и газовых скважин. М.: Недра, 1983.
2. Разумов В.Б., Налитов А.Н., Шимаков Р.Х. Комплекс мероприятий по повышению качества цементирования эксплуатационных колонн // Бурение. 1975. Вып. II.

References

1. Bulatov A.I. Technology of oil and gas wells cementing. M.: Nedra, 1983.
2. Razumov V.B., Nalitov A.N., Shimakov R.H. The complex of measures of production casing cementation quality improvement // Drilling. 1975. Vol. II.

Комментарии посетителей сайта

    Функция комментирования доступна только для зарегистрированных пользователей


    Авторизация


    регистрация

    Булатов А.И.

    Булатов А.И.

    д.т.н., профессор, заслуженный деятель науки и техники РФ, заслуженный изобретатель РФ

    Просмотров статьи: 4126

    Рейтинг@Mail.ru

    admin@burneft.ru