Процесс цементирования

Методы цементирования скважин.

Осуществля­ется для разобщения нефтегазоносных пластов от всех вышележа­щих с одновременным разобщением нефтесодержащих и газосодержащих пластов друг от друга и защиты обсадных труб от коррозирующего действия минерализованных вод, циркулирующих в недрах. Спущенные в скважину обсадные колонны цементируют путем закачки тампонажного материала в кольцевое пространство между стенками скважины и обсадной колонны.

Крепление и цементирование скважин

Общие сведения.

Тампонажные материалы и оборудование для цементирования скважин

Практическое занятие № 8

Существует ряд методов це­ментирования скважин: одно- и двухступенчатое цементирование; цементирование хво­стовиков; манжетное цементирование; цементирование под давлением.

Одноступенчатое цементирование скважин (одноцикловый способ) — наиболее распространенный вид цемен­тирования.

Скважину подготавливают к цементированию, промывая ее после спуска обсадной колонны труб. Для этого на спущенную колонну труб навинчивают цементиро­вочную головку и приступают к промывке. Промывку производят до тех пор, пока плотность бурового раствора, посту­пающего в скважину, и плотность бурового раствора, выходящего из нее, не станут одинаковыми.

После того как скважина промыта и вся арматура проверена опрессовкой, приступают к приготовлению и закачиванию цементного раствора в скважину. Непосредственно перед началом затворения цементной смеси в колонну закачивают буфер­ную жидкость, в качестве которой используется вода и водные растворы солей NaCl, СаС1₂, и т.п., а также щелочей NaOH и ПАВ (сульфанол). Смешиваясь с буровым раствором, они разжи­жают его, уменьшают статическое и динамическое напряжение сдвига и вязкость, что облегчает процесс цементирования. Объем буферной жидкости определяется из условия допустимого снижения гидростатического давления на продуктивный пласт, чтобы не допустить выброса (фонтанирования).

После закачки буферной жидкости в колонну опускают нижнюю пробку (рис. 1. а). Затем при помощи цементосмесительных и цементировочных агрегатов приготавливают це­ментный раствор, который перекачивается в скважину. После закачки цементного раствора в обсадку из цементировочной головки (рис. 6) в колонну продавливают верхнюю пробку (рис. 6, поз. 4 и рис.1. б). Далее цементный раствор движется между двумя пробками к башмаку обсадной колонны (рис. 1. в).

Рис. 1. Стадии процесса одноступенчатого цементирования с двумя пробками: а — опускание нижней пробки; б — закачка цемента и выдавливание верхней пробки; в — продавливание цемента к башмаку колонны до остановки нижней пробки; г — продавливание цемента в кольцевое заколонное пространство до остановки верхней пробки; 1 — цементный раствор

Буро­вые насосы перекачивают глинистый раствор в тарированные мерники цементировочных агрегатов. При продавке цементного ра­створа ведется учет закачиваемой в колонну продавочной жидкости. Посадка пробок на упорное кольцо (рис. 1.г) характеризуется резким повышением давления на заливочной головке, так называемым «ударом». Величина «удара» обычно не превышает 0,5... 1,0 МПа сверх максимального давления, имевшегося перед моментом схож­дения верхней и нижней пробок. На этом заканчивается процесс цементирования, и скважина оставляется в покое при закрытых кранах на головке на срок, необходимый для схватывания и твердения цементного раствора.

2. Тампонажные материалы.

Тампонажными называют материалы, которые при затворении водой образуют суспензии, способные затем превра­щаться в твердый непроницаемый камень.

В зависимости от вида вяжущего материала тампонажные це­менты образуются на основе:

- портландцемента;

- доменных шлаков;

- известково-песчаных смесей;

- прочих материалов (белитовые и др.).

Для цементирования скважин применяют только тампонажные цементы на основе портландцемента и до­менных шлаков.

К цементным растворам предъявляют следующие основные тре­бования:

- подвижность раствора должна быть такой, чтобы его можно было закачивать в скважину насосами, и она должна сохраняться от момента приготовления раствора (затворения) до окончания про­цесса продавливания;

- структурообразование раствора, т. е. загустение и схватывание после продавливания его за обсадную колонну, должно проходить быстро;

- цементный раствор на стадиях загустения и схватывания и сформировавшийся камень должны быть непроницаемы для воды, не­фти и газа;

- цементный камень, образующийся из цементного раствора, дол­жен быть коррозионно- и температуроустойчивым, а его контакты с колонной и стенками скважины не должны нарушаться под действием нагрузок и перепадов давления, возникающих в обсадной колонне при различных технологических операциях.

К важнейшим свойствам цементного раствора относятся: водосодержание (водоцементное отношение), водоотдача, плотность, подвижность (растекаемость), сроки схватывания, время загусте­ния, седиментационная устойчивость (способность частиц цемент­ного раствора не оседать в жидкости затворения под действием сил тяжести), структурная вязкость, механическая прочность, прони­цаемость, объемные изменения в процессе схватывания, коррозионная устойчивость и др.

В зависимости от добавки тампонажные цементы и их раство­ры подразделяют на: песчаные, волокнистые, гельцементные, пуццолановые, сульфатостойкие, расширяющиеся, облегченные с низкой водоотдачей, водоэмульсионные, нефтецементные и пр.

Номенклатура тампонажных цементов на основе портландцемента и шлака содержит:

- тампонажные портландцементы для «холодных» и «горячих» скважин («холодный» цемент — для скважин с температурой до 50°, «горячий» — для температур до 100°С, плотность раствора 1,88 г/см3);

- облегченные цементы для получения растворов плотностью 1,4... 1,6 г/см3 на базе тампонажных портландцементов, а также на основе шлакопесчаной смеси (до температур 90...140°С). В каче­стве облегчающих добавок используют глинопорошки или моло­тые пемзу, трепел, опоку и др.;

- утяжеленные цементы для получения растворов плотностью не менее 2,15г/см3 на базе тампонажных портландцементов для температур, соответствующих «холодным» и «горячим» цементам, а также шлакопесчаной смеси для температур 90...140°С. В каче­стве утяжеляющих добавок используют магнетит, барит и др.;

- термостойкие шлакопесчаные цементы для скважин с темпера­турой 90...140 и 140...180°С;

- низкогигроскопические тампонажные цементы, предназначен­ные для длительного хранения.

Регулируют свойства цементных растворов путем изменения водоцементного отношения (В:Ц), а также добавлением раз­личных химических реагентов, ускоряющих или замедляющих сроки схватывания и твердения, снижающих вязкость и показа­тель фильтрации.

На практике в большинстве случаев применяют цементный ра­створ с В:Ц = 0,4...0,5. Нижний предел В:Ц ограничивается те­кучестью цементного камня и удлинением срока схватывания. К ус­корителям относятся: хлористые кальций, калий и натрий; жид­кое стекло (силикаты натрия и калия); кальцинированная сода; хлористый алюминий. Эти реагенты обеспечивают схватывание це­ментного раствора при отрицательных температурах и ускоряют схватывание при низких температурах (до -40 °С).

Замедляют схватывание цементного раствора такие химические реагенты, как гидролизованный полиакрилонитрил, карбоксиметилцеллюлоза, полиакриламид и др. Перечислен­ные реагенты оказывают комбинированное действие. Все они по­нижают водоотдачу и одновременно могут увеличивать или умень­шать подвижность цементного раствора.

Для приготовления цементного раствора химические реа­генты растворяют предварительно в воде. Утяжеляющие, облегчающие и повышающие температуростойкость добавки смешивают с вяжущим веществом в процессе про­изводства (специальные цементы) или перед применением (сухие цементные смеси).

От пра­вильного выбора тампонажного цемента и добавок к нему зави­сит качество строящейся скважины. Поэтому выбор рецептуры тампонажного раствора следует проводить только на основании тщательных лабораторных исследований. Особое внимание следу­ет уделять качественное смешиванию цемента с добавками. Например в США непосредственно перед приготовлением тампонажного ра­створа перекачивают сухую смесь в пустой цементосмеситель и об­ратно. Этим достигают равномерного распределения добавок.

3. Оборудование для цементирования скважин.

К оборудованию, необходимому для цементирования скважин, относятся: цементи­ровочные агрегаты; цементосмесительные установки; цементировочная головка; заливочные пробки и другое мелкое оборудова­ние (краны высокого давления, устройства для распределения ра­створа, гибкие металлические шланги и т.п.).

Цементировочный агрегат (рис. 4) произво­дит затворение цемента (если не используется цементосмесительная установка (рис. 5), закачивает цементный раствор в скважину и про­давливает его в затрубное пространство. Кроме того, цементиро­вочные агрегаты используются и для других работ (установка це­ментных мостов, испытание колонн на герметичность и др.).

Цементировочные агрегаты изготав­ливают передвижными, с монтажом всего обору­дования на грузовой автомашине. На открытой платформе авто­машины смонтированы (рис. 2): поршневой насос высокого давления для прокачки цементного раствора в колонну обсадных труб; ротаци­онный насос, которым подают воду в цементную мешалку во время приготовления цементного раствора; замерные баки, при помощи которых определяют количество жидкости, закачиваемой в колонну для продавки цементного раствора; двигатель для при­вода насоса.

Рис. 2. Схема действия цементировочного агрегата при затворении и закачке цементировочного раствора: 1 — замерный бак; 2 — цементный на­сос; 3 — коробка отбора мощности; 4 — коробка передач автомобиля; 5 — двига­тель; 6 — ротационный насос; 7 — цементосмеситель; 8 — цементный бачок

Для цементирования обсадных колонн в применяют цементировочные агрегаты (ЦА) различных типов: ЦА 320А; ЗЦА 400А; УНБ 2-630-50; и др. (рис. 4, 5). Они отличаются друг от друга, прежде всего, гидравлической мощностью насосов.

Для приготовления тампонажных растворов применяют цементно-смесительные установки, снабженные смесительными устрой­ствами гидровакуумного типа. Выпускаются: установка цементно-смесительная УС630, изготавли­вается по индивидуальным заказам агрегат смесительный АСМ-25 (рис. 3), используются и другие агрегаты.

Рис. 3. Агрегат смесительный АСМ-25:

1 — шасси несущего автомобиля; 2 — редуктор; 3 — сальниковое уплотнение валов мешалок; 4 — коробка раздаточная цепная; 5 — загрузочный шнековый транспортер; 6 — редуктор загрузочного шнекового транспортера; 7 — смотровой люк; 8 — моеч­ный люк; 9 — указатель уровня; 10 — заливочный трубопровод; 11 — вал мешалки; 12 — резервуар; 13 — выносная опора; 14 — шламовый люк; 15 — донный клапан; 16 — патрубок для соединения с приемным манифольдом ЦА; 17 — коробка раз­даточная цепная; 18 — коробка отбора мощностей

Рис.4. Цементировочный агрегат ЗЦА-400

Цементировочные головки предназначены для про­мывки скважины и проведения цементирования. Спущенная об­садная колонна оборудуется специальной цементировочной го­ловкой, к которой присоединяются нагнетательные трубопро­воды (манифольды) от цементировочных агрегатов (рис. 5). Для централизованной обвязки цементировочных агрегатов с устьем скважины применяют блок манифольдов. Он состоит из коллектора высокого давления для соединения ЦА с устьем скважины и коллектора низкого давления для распределения воды и продавочной жидкости, подаваемой к ЦА. Блок мани­фольдов, как правило, оборудован грузоподъемным устройством.

Рис. 5. Схема присоединения цементировочных агрегатов по одному из способов: 1...7 — задвижки (краны); 8 — це­ментировочные агрегаты; 9 — зали­вочные трубы

В настоящее время применяются цементировочные головки типа ГЦУ-140-146; ГЦУ-16в; ГЦУ-245; ГЦУ-340 и др. (рис. 6).

Конструкция цементировочной головки типа ГЦУ рассчитана на максимальное давление 40 МПа. Диаметр обвязываемых ко­лонн этими головками от 140 до 340 мм. Головка состоит из корпуса 7, крышки 1 с разделительным устройством, трех­ходовым краном и маномет­ром, двух стопорных винтов 5, пробковых кранов 3, цементи­ровочной пробки 4, элементов обвязки 6 и накидной гайки 2. Корпус головки имеет семь отводов, к четырем из которых, расположенным в нижней ча­сти, присоединены угловые трехходовые пробковые кра­ны, а к верхнему боковому — проходной пробковый кран. В остальные два отвода ввин­чены стопоры для поддержания цементировочной пробки.

Рис. 6. Головка цементировочная устьевая: 1 — крышка; 2 — накидная гайка; 3 — пробковый кран; 4 — цементировочная пробка; 5 — стопорный винт; 6 - элементы обвязки; 7 — корпус

Заливочные (раздели­тельные) пробки предназначены для отделения бурового ра­створа и продавочной жидкости от цементного раствора при цементировании обсадных колонн и получения сигнала об окончании продавки цементного раствора (рис. 7). При двухступенчатом цементировании используются специальные цементировочные пробки.

а) б) в)

Рис. 7. Цементировочные пробки: а — нижняя самоуплотняющаяся с металлическим остовом; б — верхняя; в — самоуплотняющаяся резиновая

Дата добавления: 2014-10-15