» » Способы первичного цементирования заколонного пространства скважины

Способы первичного цементирования заколонного пространства скважины

03.08.2016

Первичное цементирование осуществляется сразу же после спуска в скважину обсадной колонны и имеет целью разобщение проницаемых пластов друг от друга и защиту наружной поверхности обсадной колонны от коррозии пластовыми жидкостями, а также повышение прочности стенок скважины и обсадной колонны.
Существует несколько способов первичного цементирования: одноступенчатый, многоступенчатый, манжетный, обратный.
Одноступенчатый способ (рис. 4.23). Это наиболее распространенный способ первичного цементирования. После окончания промывки скважины на обсадную колонну навинчивают цементировочную головку 2, в которую вставлены две цементировочные разделительные пробки - верхняя 3 и нижняя 4, удерживаемые стопорами. Нижняя пробка служит для предотвращения перемешивания тампонажного раствора с идущей впереди буферной жидкостью при движении по обсадной колонне и для очистки внутренней поверхности труб. Верхняя пробка предотвращает перемешивание с продавочной жидкостью последней порции тампонажного раствора, которая располагается против эксплуатационного объекта.
Способы первичного цементирования заколонного пространства скважины

К отводам цементировочной головки присоединяют трубопроводы от цементировочных насосов.
Цементирование осуществляется следующим образом. Освобождают стопор, удерживающий нижнюю пробку, и поверх нее в головку закачивают цементировочными насосами тампонажный раствор 10, который готовят с помощью специальных смесительных машин, установленных непосредственно у скважины. Тампонажный раствор 10 проталкивает нижнюю разделительную пробку 4 по обсадной колонне 5. После закачки в обсадную колонну заданного объёма тампонажного раствора закрывают краны на нижних боковых отводах головки 2, вывинчивают стопоры, удерживающие верхнюю разделительную пробку, и поверх нее закачивают продавочную жидкость 8 через верхний отвод головки 2. В качестве продавочной обычно используют промывочную жидкость, которой была заполнена скважина, либо воду. После того как верхняя пробка 4 войдет в обсадную колонну, вновь открывают краны на нижних боковых отводах головки 2 и через них также закачивают продавочную жидкость 8.
Нижняя пробка, дойдя до упорного кольца 7 в колонне, останавливается. Так как нагнетание жидкости в колонну продолжается, давление в ней после остановки нижней пробки быстро растет. Под воздействием разности давлений над пробкой и под ней мембрана в нижней пробке разрушается и тампонажный раствор через проходной канал в пробке и отверстия в башмаке вытесняется в за-колонное пространство скважины. Т.к. плотность тампонажного раствора больше, чем промывочной жидкости в скважине, то с момента начала вытеснения тампонажного раствора в заколонное пространство давление в цементировочной головке увеличивается по мере продвижения верхней пробки вниз по колонне. После посадки верхней пробки на нижнюю давление на манометре 1 резко возрастает (давление «стоп»), что служит сигналом для прекращения нагнетания продавочной жидкости в колонну; краны на головке закрывают, насосы останавливают, а скважину оставляют в покое на период твердения тампонажного раствора.
На рис. 4.24 в качестве примера приведен график изменения давления на цементировочной головке, который иллюстрирует последовательность одноциклового цементирования обсадной колонны, состоящую из подачи цементного раствора в скважину, продавки в затрубное пространство и окончания продавки.
Способы первичного цементирования заколонного пространства скважины

Если обсадная колонна оборудована обратным клапаном, то после остановки насосов избыточное давление в цементировочной колонне обычно стравливают, плавно приоткрывая один из кранов. Затем кран снова закрывают и контролируют давление в период твердения раствора, которое может возникнуть, например, вследствие нагрева жидкости в колонне под влиянием теплоты гидратации вяжущего вещества тампонажного раствора. Избыточное давление не должно превышать допустимого для обсадных труб, в противном случае его необходимо стравливать.
При цементировании длинных колонн сигнал об остановке верхней пробки приходит на поверхность и фиксируется манометром на устье с запозданием на несколько секунд. Это опасно, т.к. закачка жидкости продолжается и под влиянием быстро возрастающего давления могут быть разрушены пробка и упорное кольцо. Во избежание этого в колонне на некотором расстоянии от упорного кольца устанавливается сигнальное кольцо, укреплённое при помощи срезных шпилек (рис. 4.25).
Способы первичного цементирования заколонного пространства скважины

Как только верхняя пробка сядет на сигнальное кольцо, давление в колонне, в которую продолжается нагнетание жидкости, резко возрастет. Этот скачок давления будет зафиксирован на поверхности, и операторы своевременно смогут прекратить закачку продавочной жидкости.
Шпильки 2 (рис. 4.25) тарируют так, чтобы они срезались при повышении давления над верхней пробкой на 3-4 МПа. После срезания шпилек верхняя пробка вместе с сигнальным кольцом продолжает движение до схождения с нижней пробкой.
В случае, когда цементирование скважины в одну ступень по тем или иным причинам применять не представляется возможным, используют другие способы.
Двухступенчатое цементирование. Подлежащий цементированию интервал скважины делят на два участка, а в состав обсадной колонны на стыке этих участков помещают цементировочную муфту (рис. 4.26.) или заколонный пакер с циркуляционным клапаном с гидравлическим или гидромеханическим управлением.
Способы первичного цементирования заколонного пространства скважины

Снаружи колонны над муфтой и под нею размещают центрирующие фонари.
При ступенчатом цементировании (рис. 4.27) в обсадную колонну 4, в составе которой имеется узел для ступенчатого цементирования (на схеме муфта двухступенчатого цементирования), закачивают первую порцию тампонажного раствора в объеме, необходимом для заполнения заколонного пространства от забоя до цементировочной муфты и участка колонны ниже упорного кольца 9, а затем поверх первой разделительной пробки 2 - продавочную жидкость.
Первая разделительная пробка имеет эластичные резиновые манжеты, которыми она прижимается к стенкам обсадной колонны, и жесткий центральный стержень, благодаря чему пробка достаточно свободно проходит через цементировочную муфту, но садится на нижнее упорное кольцо 9 (рис. 4.27).
Способы первичного цементирования заколонного пространства скважины

После закачки порции продавочной жидкости, равной внутреннему объему колонны между упорным кольцом 9 и цементировочной муфтой, освобождают вторую разделительную пробку 11 и поверх нее снова закачивают продавочную жидкость 10. Пробка 11 опускается вниз по колонне, садится на нижнюю втулку 6 (или 7 рис. 4.26) муфты и перекрывает проходной канал в ней. Так как нагнетание жидкости продолжается, давление в колонне резко возрастает; при повышении давления на 3-4 МПа штифты / (или 4 рис. 4.26), удерживающие втулку 6 (или 7 рис. 4.26), срезаются и втулка 6 вместе с пробкой перемешается вниз до упора 8, открывая боковые отверстия 7 (или 6 рис. 4.26) в муфте. Через эти отверстия продавочная жидкость выходит в заколонное пространство. Промывают верхний интервал скважины для удаления остатков тампонажного раствора первой ступени из зоны установки муфты. (В варианте цементирования с разрывом во времени промывку ведут от нескольких часов до суток до тех пор, пока не затвердеет тампонажный раствор первой порции в нижнем участке затру оного пространства.) После этого в колонну закачивают вторую порцию тампонажного раствора в объеме, необходимом для заполнения верхнего участка заколонного пространства, освобождают из цементировочной головки верхнюю пробку 12 и вытесняют тампонажный раствор через боковые отверстия в муфте новой порцией 13 продавочной жидкости. Объем этой порции равен внутреннему объему участка обсадной колонны от муфты до цементировочной головки. Верхняя пробка 12, достигнув втулки 5» укрепленной с помощью тарированных шпилек в корпусе цементировочной муфты, сдвигает втулку вниз до упора в торец нижней втулки 6; при этом втулка 5 закрывает отверстия 7 муфты и разобщает полость колонны от заколонного пространства.
После затвердения тампонажного раствора и проверки герметичности верхнего участка обсадной колонны пробки втулки и упор разбуривают.
Ступенчатое цементирование с разрывом во времени применяют: а) если при одноступенчатом цементировании неизбежно поглощение раствора: б) если вскрыт пласт с аномально высоким давлением и в период схватывания тампонажного раствора после одноступенчатого цементирования могут возникнуть перетоки и газопроявления; в) если для одноступенчатого цементирования требуется одновременное участие в операции чрезмерно большого числа цементировочных насосов и смесительных машин.
Недостатки метода двухступенчатого цементирования с разрывом во времени:
• вероятность отказа муфты ступенчатого цементирования (не-открытие или незакрытие циркуляционных отверстий, падение давления после момента «стоп», негерметичность колонны и др.);
• в процессе промывки, закачивания и продавки верхней порции тампонажного раствора, в момент получения «стоп» и опрессовки всей колонны на твердеющее цементное кольцо первой ступени создаются дополнительные механические нагрузки, приводящие к нарушению контактов цементного камня с обсадной колонной и стенками скважины;
• во время периода ОЗЦ первой ступени простаивают буровая установка и цементировочная техника;
• стоимость цементировочных работ увеличивается на 3...5% (необходимы затраты средств на приобретение муфт, средств и времени на разбуривание или проталкивание пробки к забою при освоении скважины).
Если на обсадной колонне ниже цементировочной муфты установлен наружный пакер, то по окончании цементирования нижней ступени заколонное пространство скважины разобщается пакером и продолжается цементирование верхнего участка (последовательное ступенчатое цементирование).
Последовательное ступенчатое цементирование целесообразно применять в случаях, если: а) мощность цементировочных насосов недостаточна для проведения операции в один приём; б) нет достаточного количества цементировочных насосов и смесительных машин для выполнения операции в один прием или на буровой площадке нельзя разместить такое оборудование; в) для верхнего и нижнего участков скважины используются тампонажные растворы с существенно разными сроками загустевания.
Последовательное цементирование проводят с тремя разделительными пробками: первая разделительная пробка между первой порцией тампонажного раствора и первой порцией продавочной жидкости; вторая разделительная пробка перед второй порцией тампонажного раствора и третья - между второй порцией тампонажного раствора и второй порцией продавочной жидкости. К тому времени, когда вторая разделительная пробка достигнет цементировочной муфты и откроет отверстия в ней, первая порция тампонажного раствора будет вытеснена в заколонное пространство. После схождения второй и третьей пробок давление в колонне резко возрастает и это служит сигналом для закрытия кранов на цементировочной головке и остановки насосов.
После остановки насосов избыточное давление в цементировочной головке плавно стравливают, если обратный клапан и цементировочная муфта герметичны, и оставляют скважину в покое Для твердения тампонажного раствора (с закрытыми кранами на головке).
Основные недостатки последовательного ступенчатого цементирования без применения заколонного пакера: значительно более высокое давление на стенки скважины, чем при цементировании с разрывом во времени, что создает опасность поглощения и опасность возникновения перетоков и заколонных газопроявлений в период схватывания и твердения тампонажного раствора.
При прочих равных условиях более предпочтительно использовать одноступенчатое цементирование.
Селективное цементирование применяют на месторождениях с низким пластовым давлением, с сильно дренированными, подверженными гидроразрыву пластами и в случае использования технологии, предупреждающей контакт продуктивной толщи с тампонажными растворами. На обсадную колонну в нижней части устанавливают устройство для манжетного или селективного цементирования, выполненное в виде совмещённых пакера и цементировочной муфты. Участок ствола скважины выше пакера (манжеты) цементируют. Муфтовая часть устройства позволяет своевременно открывать и закрывать сообщение между внутренней частью колонны с заколонным пространством, подлежащим цементированию. Пакер, чаще всего гидравлический, обеспечивает изоляцию продуктивной толщи. Наличие пакера (в упрощённом варианте - манжеты) не позволяет цементному раствору опускаться ниже места его установки и давление на пласт в нижней части скважины остается прежним.
Последовательность операций при селективном цементировании скважины с применением цементировочной муфты (рис. 4.28):
I - промывка скважины перед цементированием;
II - затворение и закачка в обсадную колонну тампонажной смеси первой ступени цементирования (с буферной жидкостью); пуск в колонну цельнорезиновой цементировочной пробки (6) путем закачки продавочной жидкости в объеме, соответствующем объему внутренней полости обсадной колонны в интервале между муфтой и обратным клапаном; установка в цементировочную головку первой специальной цементировочной пробки 7; пуск пробки 7 в колонну и дальнейшее продавливание тампонажной смеси первой ступени цементирования до посадки цельнорезиновой цементировочной пробки 6 на обратный клапан типа (получения сигнала «стоп»);
III - открытие технологического клапана цементировочной муфты заданным повышением давления в цементировочной головке, посадка в муфту первой специальной цементировочной пробки 7, открытие цементировочных окон муфты заданным повышением давления в цементировочной головке; промывка скважины через цементировочные окна муфты; установка в цементировочную головку второй специальной цементировочной пробки 8; после окончания схватывания (или достижения момента прекращения фильтратоотдачи) тампонажной смеси первой ступени цементирования затворение и закачка в обсадную колонну тампонажных смесей второй ступени цементирования (с буферной жидкостью); пуск в колонну второй специальной цементировочной пробки 8 и продавливание тампонажных смесей через цементировочные окна муфты до посадки пробки в муфту и закрытия этих окон заданным повышением давления в цементировочной головке;
IV - завершение операции.
Способы первичного цементирования заколонного пространства скважины

Перед освоением скважины специальные цементировочные пробки смещаются к ее забою.
Способ обратного цементирования. Способ, при котором цементный раствор закачивают прямо в затрубное пространство, а находящийся там буровой раствор вытесняется через башмак в обсадную колонну.
Способ обратного цементирования привлекателен тем, что для его осуществления не требуется значительной гидравлической мощности оборудования и поэтому ствол скважины не воспринимает избыточных гидродинамических давлений. Однако широкое промышленное применение его ограничено в силу ряда технических трудностей, и в первую очередь из-за сложности контроля момента достижения цементным раствором низа обсадной колонны и надежного обеспечения высокого качества цементирования в этой наиболее ответственной части.
Способы первичного цементирования заколонного пространства скважины

С целью определения момента входа цементного раствора в колонну используют радиоактивные изотопы, наличие которых в цементном растворе дает возможность четко фиксировать границу между буровым и тампонажным растворами. Количество закачиваемого в затрубное пространство скважины цементного раствора контролируется прибором гамма-каротажа. Прибор спускают на каротажном кабеле 14 в колонну через лубрикатор 12 и за первой порцией цементного раствора вводят ампулу с радиоактивным изотопом через лубрикатор 12.
Затрубное пространство герметизируется превентором 7 рис. 4.29, выходящий из обсадных труб буровой раствор через специальные отводы 11 направляется в желоб.
При закачке цементного раствора но расчету необходимо тщательно учитывать кавернозность, возможность частичного поглощения цементного раствора при цементировании, сжимаемость раствора и другие факторы.
Применяя обратный способ цементирования, можно так подобрать свойства цементного раствора, что после его закачки в затрубное пространство скважины он может схватиться почти одновременно по всей высоте.