Способ цементирования обсадной колонны скважины
METHOD FOR CEMENTING THE CASING STRING OF A BOREHOLE

Изобретение относится к области бурения нефтяных и газовых скважин, а именно к технологии цементирования обсадных колонн и может быть использовано при цементировании обсадных колонн в установившемся режиме.
Известен способ цементирования скважины путем закачивания через цементировочную головку тампонажной и продавочной жидкостей, отделяемых разделительной пробкой (см. Соловьев Е.М. Заканчивание скважин. - М.: Недра, 1989 стр. 165-173). Автор утверждает, что для того чтобы при закачке тампонажного раствора в обсадную колонну не происходило снижение его уровня, и не возникал вакуум в кольцевом заколонном пространстве, при выходе промывочной жидкости (бурового раствора) из скважины нужно поддерживать соответствующее противодавление, при этом величину противодавления он предлагает рассчитывать исходя из давления на момент конца закачки цементного раствора. Критерием отсутствия вакуума на устье, по мнению автора, должно быть наличие давления нагнетания цементного раствора. Для того чтобы избежать возможного поглощения, предлагается регулировать скорость восходящего потока, то есть в любой момент цементирования скорость в кольцевом заколонном пространстве должна быть меньше предельной скорости, при которой сумма статического и гидродинамического давления меньше давления поглощения. Однако автор не раскрывает методику контроля и регулирования скорости восходящего потока.
Недостатком упомянутого выше технического решения является низкое качество цементирования из-за невозможности предотвращения возникающих осложнений.
Наиболее близким аналогом к предложенному способу (прототипом) является способ цементирования обсадной колонны (патент RU №2199649 Е21В 33/14), включающий закачку цементного раствора в обсадную колонну, сброс разделительной пробки, закачку промывочной жидкости и продавливание цементного раствора в заколонное пространство, причем перед процессом закачки цементного раствора рассчитывают минимальную величину объемного расхода закачки цементного раствора. В данном способе разрыв сплошности цементного раствора во время его движения в обсадной колонне в нисходящем потоке предлагается предотвратить путем интенсификации закачки, то есть скорость закачки цементного раствора и продавочной жидкости (объемной скорости) должна быть больше скорости его падения (интенсивности перетока). При этом интенсивность перетока и скорость закачки определяется аналитически - расчетным путем.
Недостатком данного способа является отсутствие контроля за движением цементного раствора, как в обсадной колонне, так и в заколонном пространстве. Кроме того, интенсификация потока цементного раствора в обсадной колонне вызовет пропорциональное увеличение скорости восходящего потока бурового раствора в кольцевом заколонном пространстве, что неизбежно спровоцирует обрушение неустойчивых пород, и как следствие, приведет к большим затратам времени и материалов на проведение исправительного цементирования.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является разработка эффективного способа цементирования обсадной колонны скважины в установившемся режиме, который обеспечит качественное заполнение заколонного пространства с формированием сплошной цементной оболочки, исключающим обрушение неустойчивых пород и возникновение других осложнений.
Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение качества цементирования и повышение его эффективности за счет сокращения затрат на строительство скважины путем предупреждения возникновения осложнений и затрат на их ликвидацию.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе цементирования обсадной колонны скважины в установившемся режиме, который включает герметизацию кольцевого заколонного пространства превентором, соединение выкидной линии кольцевого заколонного пространства через дроссель с мерной емкостью, предназначенной для контроля объема выходящего из скважины бурового раствора, закачку цементного раствора в обсадную колонну, контроль давления в мерной емкости в течение упомянутой закачки цементного раствора, при падении давления в мерной емкости до нуля, создают с помощью дросселя в кольцевом заколонном пространстве противодавление, обеспечивающее движение цементного и бурового растворов с постоянной скоростью в установившемся режиме, при этом расчет величины упомянутого противодавления, обеспечивающего движение цементного и бурового растворов с постоянной скоростью в установившемся режиме в кольцевом заколонном пространстве осуществляют по формуле:
для
для
где
- глубина спуска обсадной колонны и расстояние от устья скважины до движущейся нижней границы раздела между цементным и буровым растворами в обсадной колонне, соответственно;
0
h - высота столба цементного раствора в обсадной колонне в момент окончания закачки, соответствующая объему, необходимому для цементирования обсадной колонны;
н
у
Р и Р - давление нагнетания и противодавление на устье скважины, соответственно;
ц
р
ρ и ρ - плотности цементного и бурового растворов, соответственно;
цт
рт
рк
цк
λ, λ и λ, λ - коэффициенты гидравлических сопротивлений при движении цементного раствора и бурового раствора в обсадной колонне, и бурового раствора и цементного раствора в кольцевом заколонном пространстве, соответственно;
v - скорость движения цементного или бурового раствора в обсадной колонне;
c
н
b
d, d и d - диаметры: скважины, наружный и внутренний обсадной колонны, соответственно;
g - ускорение свободного падения.
С увеличением объема цементного раствора, закаченного в обсадную колонну, давление на цементировочном агрегате (например, ЦА-320) постепенно снижается до атмосферного, после чего происходит отрыв части столба цементного раствора под действием сил, обусловленных разностью плотностей бурового и цементного растворов. Далее происходит самопроизвольное неконтролируемое увеличение скорости цементного раствора в обсадной колонне, которое в свою очередь вызывает пропорциональное увеличение скорости движения бурового раствора в заколонном пространстве скважины.
Увеличение скорости движения цементного раствора в обсадной колонне, сопровождающееся соответствующим увеличением скорости восходящего потока бурового раствора в затрубном пространстве, приводит к потере устойчивости глинистых пород, выносу шлама из каверн и возникновению таких осложнений как преждевременное загустевание цементного раствора, ошибки при определении объема продавочной жидкости, увеличение зоны смешивания бурового и цементного раствора. Ликвидации осложнений такого рода требует больших затрат времени и материалов, а иногда приводит к ликвидации скважины.
Кроме того, на верхней границе раздела цементного и бурового раствора под разделительной пробкой образуется воздушная «пробка» с давлением ниже атмосферного. Расчеты показывают, что для того чтобы догнать убегающий столб цементного раствора, необходимо закачивать его со скоростью более 4 м/с, что технически возможно, но экономически нецелесообразно. Образовавшийся вакуум является причиной затрудненного отворота стопорных штырей при проведении подготовительных работ перед пуском разделительной пробки, до такой степени, что приходиться открывать кран на цементировочной головке для компенсации давления. Так как столб цементного раствора в рассматриваемом случае перемещается при максимальных критических скоростях, то образующаяся воздушная пробка займет значительный первоначальный объем. Этот объем не уменьшится до тех пор, пока столб цементного раствора не переместится в заколонное пространство и не уравновесит давление в обсадной колонне. Конечный объем воздушной пробки будет зависеть от давления, образующегося в колонне в момент посадки разделительной пробки в опорное кольцо (кольцо-«стоп») после вытеснения всего столба цементного раствора в заколонное пространство.
Расчеты и практика показывают, что воздушная пробка даже в конечном сжатом состоянии может занимать существенный объем, что усложнит при цементировании неглубоких скважин, а также скважин, где существует опасность поглощения цементного раствора, определение момента «стоп» и может привести к оголению башмака колонны.
В предлагаемом способе цементирования обсадной колонны скважины путем контроля и регулирования противодавления в заколонном пространстве на устье скважины на протяжении всего процесса обеспечивается необходимая постоянная скорость движения цементного и бурового растворов, то есть установившийся режим. Буровой раствор, как правило, используют в качестве продавочной жидкости.
Под установившимся движением в гидродинамике понимается движение, при котором скорость и давление в каждой данной точке пространства, заполненного движущейся жидкостью, остаются все время постоянными (но могут меняться при переходе от одной точки пространства к другой), то есть движение, постоянное во времени, изменяющееся в пространстве, при котором скорость и давление зависят только от координат движущейся жидкой частицы, т.е. от ее положения в пространстве, и не зависят от времени. Таким образом, при установившемся движении
1
υ = f (х, у, z)
2
р = f (х, у, z)
Другими словами, при установившемся режиме из скважины выходит ровно столько жидкости, сколько в нее закачали. При этом обеспечивается сплошность потока цементного раствора, отсутствует инерционная составляющая, поскольку равномерное движение происходит без ускорения, гидродинамика минимальна, что сохранит неустойчивые пласты, исключит поглощение и другие осложнения.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана схема обвязки устья скважины.
На фиг. 2. показана зависимость разности давления нагнетания и противодавления на устье скважины от объема цементного раствора или продавочной жидкости, закачиваемых в колонну.
На чертеже элементы обозначены следующими позициями: цементировочная головка 1, превентор универсальный (ПУГ) 2, блок задвижек 3, дроссель 4, мерная емкость 5 цементировочного агрегата, обсадная колонна 6, буровой раствор 7, цементный раствор 8, заколонное пространство 9.
Способ цементирования скважин в неустойчивых породах в установившемся режиме осуществляют следующим образом.
В соответствии с предложенным способом в скважине, например, газовой или скважине подземного хранилища газа (ПХГ) цементирование обсадных колонн 6 осуществляют с герметизированным устьем. Герметизацию устья осуществляют превентором универсальным (ПУГ) 2. Перед затворением цемента закрывают универсальный превентор (ПУГ) 2, открывают дроссель 4 в блоке задвижек 3 на рабочей выкидной линии. К блоку задвижек 3 подсоединяют мерную емкость 5 цементировочного агрегата, предназначенную для контроля объема выходящего из скважины бурового раствора 7. Блок задвижек 3 входит в стандартное противовыбросовое оборудование и предназначен для контроля давления и регулирования, в том числе по направлению потока жидкости, выходящей из заколонного пространства на поверхность.
При отсутствии станции контроля цементирования (СКЦ) контроль объема бурового раствора 7, выходящего из заколонного пространства 9 скважины, позволяет получить информацию об объеме закаченного цементного раствора 8, то есть о местоположении нижней его границы в обсадной колонне 6 на текущий момент. Остальную тампонажную технику обвязывают с цементировочной головкой 1 и устанавливают стандартным образом.
Необходимое противодавление создают в заколонном пространстве 9 на устье скважины с помощью дросселя 4. В процессе цементирования плавным регулированием степени открытия дросселя 4 на блоке задвижек 3 создают необходимое противодавление в заколонном пространстве 9 в соответствии с расчетом.
Сразу после прекращения закачивания расчетного объема цементного раствора 8 дроссель 4 закрывают. Устье скважины полностью герметизируют на время подготовительных работ перед пуском разделительной пробки.
Контроль давления нагнетания и давления в заколонном пространстве 9 (на устье скважины) осуществляется в течение всего процесса цементирования. Давление в заколонном пространстве 9 на устье скважины регулируют с момента начала закачки цементного раствора и контролируют при его движении по всей длине обсадной колонны 6. В связи с этим расчет выполняется для каждого положения столба цементного раствора 8 в обсадной колонне 6, то есть расстояния от его верхней границы до устья скважины с интервалом 10 метров. Каждому вычисленному значению соответствует определенный объем цементного раствора 8 (при затворении цемента) или продавочной жидкости (в процессе продавки).
Регулирование величины противодавления в заколонном пространстве 9 скважины осуществляется следующим образом.
С момента начала закачки цементного раствора в колонну оператор цементировочного агрегата фиксирует объем поступившего бурового раствора 7 в мерную емкость 5 (например, мерник ЦА-320М), обвязанную с блоком задвижек 3. Поскольку режим движения - установившийся, то количество выходящего из скважины бурового раствора 7 совпадает с количеством закачанного в колонну цементного раствора 8. Информация о количестве выходящего бурового раствора от оператора цементировочного агрегата поступает к технологу, который находится у блока задвижек 3 с установленным на нем манометром. У технолога имеется расчет, выполненный на персональном компьютере. Данный расчет служит приложением к стандартному плану работ.
у
max
4
При получении информации о падении давлении до нуля на манометре, который установлен на цементировочной головке 1, то есть давление нагнетания уменьшилось до атмосферного, начинают осуществлять закачку цементного раствора 8 в объеме q', при этом путем регулирования закачки цементного раствора с помощью дросселя 4 создают противодавление в заколонном пространстве. По мере увеличения объема цементного раствора с помощью дросселя 4 увеличивается величина противодавления, которая достигает своего максимума Р  после закачки всего объема цементного раствора q в обсадную колонну. В этот момент пускают цементировочную пробку. На время подготовительных работ к пуску пробки, устье скважины полностью герметизируется (движение бурового раствора по заколонному пространству 9 скважины не происходит).
у
max
В момент пуска цементировочной пробки с помощью дросселя 4 устанавливается давление Р, которое поддерживается постоянным до момента достижения цементным раствором башмака колонны.
11
Выход цементного раствора в заколонное пространство сопровождается уменьшением противодавления, которое после закачки в скважину объема q цементного раствора и продавочной жидкости становится равным нулю, то есть регулировочная задвижка и ПУГ полностью открываются. Далее процесс цементирования осуществляется по стандартной технологии.
н
у
Зависимость разности давления нагнетания Р и давления в заколонном пространстве Р (противодавление) от объема жидкости, закачанной в колонну q с регулируемым на устье противодавлением приведены на фиг. 2.
На Фиг. 2 приняты следующие обозначения:
0
Р - давление в начале закачки цементного раствора;
к
Р - давление в конце продавки продавочной жидкостью цементного раствора;
у max
Р - максимальное противодавление на устье в заколонном пространстве, равное давлению в конце продавки;
o
0
1
1
11
у - высота столба закачиваемого цементного раствора объемом q, при которой давление нагнетания становится равным нулю, после чего создается регулируемое противодавление в заколонном пространстве; у - соответствует объему продавочной жидкости q, после закачки которого необходимо полностью открыть задвижку на заколонном пространстве;
11
q - общий объем цементного раствора и продавочной жидкости, после закачки которого давление в обсадной колоне и за обсадной колонной выравнивается;
o
ц
пp
h - высота столба цементного раствора после закачки расчетного объема q цементного раствора;  - соответствует объему продавочной жидкости q, после закачки которого цементный раствор достигает башмака колонны;
0
0
пp
ц
q - суммарный объем продавочной жидкости и цементного раствора, используемых при цементировании, (q=q+q).
Расчет необходимой величины противодавления производится по формулам:
для
при
где
- глубина спуска обсадной колонны и расстояние от устья скважины до движущейся нижней границы раздела между цементным и буровым растворами в обсадной колонне, соответственно;
0
h - высота столба цементного раствора в обсадной колонне в момент окончания закачки, соответствующая объему, необходимому для цементирования обсадной колонны;
н
у
Р и Р - давление нагнетания и противодавление на устье скважины, соответственно;
н
р
ρ и ρ - плотности цементного и бурового растворов, соответственно;
λцт
рт
рк
цк
, λ и λ, λ - коэффициенты гидравлических сопротивлений при движении цементного раствора и бурового раствора в обсадной колонне, и бурового раствора и цементного раствора в кольцевом заколонном пространстве, соответственно;
v - скорость движения потока жидкости (цементного или бурового раствора, используемого в качестве продавочной жидкости) в обсадной колонне;
c
н
b
d, d и d - диаметры: скважины, наружный и внутренний обсадной колонны, соответственно;
g - ускорение свободного падения.
Пример осуществления способа.
3
3
Эксплуатационная обсадная колонна была спущена на глубину ИЗО метров в ствол скважины диаметром 215,9 мм. Предыдущая колонна диаметром 245 мм была спущена на глубину 950 метров. Бурение осуществлялось с промывкой буровым раствором плотностью 1200 кг/м, условной вязкостью 35-40 секунд, водоотдачей 8 см/ за 30 мин., корка 1 мм. В соответствии с проектом и планом работ на крепление планировалось затворить и закачать 15 тонн цемента с его подъемом до 500 м от устья.
3
3
3
В качестве дополнения к стандартному плану работ было рассчитано необходимое противодавление в зависимости от глубины нахождения нижней границы цементного раствора, объем которого контролировался с помощью мерной емкости цементировочного агрегата (мерника). Цементирование осуществлялось с устьем скважины, герметизированным с помощью универсального превентора. Превентор был закрыт перед началом работ, дроссель открыт полностью, так как в начале цементирования в соответствии с расчетом противодавление не создается. Приступили к затворению цемента и закачиванию его в обсадную колонну. Давление нагнетания постепенно стало снижаться, а после закачивания 1,25 м цементного раствора, что было отмечено в мерной емкости цементировочного агрегата, упало до нуля. С этого момента в заколонном пространстве скважины с помощью дросселя начали поддерживать расчетное противодавление в зависимости от количества закачанного цементного раствора. В диапазоне давлений 0-3,0 МПа давление на дросселе через каждый 1 м в среднем повышали на 0,4 МПа. После закачивания планового объема цементного раствора 9,6 м, дроссель закрыли полностью, движение цементного раствора в обсадной колонне прекратилось. Давление на дросселе составило 3,0 МПа, что соответствовало расчетному. После отворота стопорных винтов цементировочной головки, которые отвернулись без усилий, так как в обсадной колонне вакуума не было, пустили разделительную цементировочную пробку с одновременным открытием дросселя и стравливанием давления до 2,8 МПа.
3
3
3
Далее, при постоянном противодавлении закачали 10 м продавочной жидкости, что соответствовало достижению нижней границей цементного раствора башмака колонны. Когда цементный раствор начал перемещаться в заколонное пространство, приступили к снижению давления на дросселе. После закачивания еще 2,5 м продавочной жидкости, в качестве которой использовали буровой раствор, начался рост давления нагнетания, открыли превентор. Дальнейшее цементирование осуществлялось с ростом давления нагнетания, как и по стандартной технологии. В процессе продавки гидроударов, которые соответствуют обычно моменту достижения буровым раствором верхней границы цеметного раствора, не было. После окончания продавки на определение момента «стоп» было затрачено сверх расчетного объема продавочной жидкости 150 литров бурового раствора, в то время как по стандартной технологии перекачивается до 1,5 м продавочной жидкости. При определении качества цементирования методом акустической цементометрии (АКЦ) было отмечено наличие 79% сплошного цементного камня, сплошного + частичного - 10%, в то время как в базовых скважинах сплошного и частичного цементного камня фиксируется не более 40%.
Заявленный способ цементирования обсадной колонны скважины обеспечивает в неустойчивых породах в установившемся режиме повышение качества цементирования и повышение его эффективности за счет сокращения затрат на строительство скважины путем предупреждения возникновения осложнений и затрат на их ликвидацию.