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.
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.
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).
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.
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).
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.
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.
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.
- Тампонирование заколонного пространства скважины
- Спуск обсадных колонн
- Технологическая оснастка обсадных колонн и устройства для спуска и крепления хвостиков
- Проектирование и контроль обсадных колонн, производимые с помощью компьютерных программ
- Обсадные колонны в наклонно-направленных и горизонтальных стволах
- Порядок выбора конструкций эксплуатационных обсадных колонн
- Нагрузки, воспринимаемые обсадными колоннами
- Крепление скважины обсадными трубами
- Зоны несовместимости в разрезе скважины
- Контроль технического состояния крепи скважины