Всн 34-83/минэнерго ссср цементация скальных оснований гидротехнических сооружений

Особенности цементирования нефтяных скважин и скважин на воду

Залегание нефтеносных и водоносных слоев резко отличается по глубине заложения. Как правило, скважины для воды менее глубокие.

Цель, преследуемая при цементации водоносной скважины, заключается в необходимости изоляции обсадных труб от коррозии, предохранении затрубного пространства от обвала стенок скважины в слабых геологических породах, изоляции эксплуатационного водоносного и неиспользуемых пластов.

Цементирование нефтеносных скважин призвано значительно повысить конструктивную прочность скважины для нивелирования влияния воздействия сил, возникающих на больших глубинах, при подвижке грунтов. Немаловажную роль выполняет цементирование при разделении и изоляции различных нефтеносных горизонтов, не допуская их смешивание.

Исходя из основных требований, при цементировании нефтеносных скважин используются специализированные добавки в тампонажном растворе:

• различные полимерные материалы, которые при застывании расширяются и уплотняют прилегающий к стенкам скважины грунт;
• для увеличения прочности цементного камня, повышения пластичности приготовленного раствора используют чистый кварцевый песок;
• для предотвращения утечки жидкого цементного раствора в пористых грунтах применяют крошку волокнистой целлюлозы;
• для снижения действия агрессивных химикатов на цементный камень применяют крошку сверхлегких минералов вулканического происхождения.

При проведении тампонажных работ на нефтескважинах устанавливается строгий, многоступенчатый контроль качества получаемого цементного камня в затрубном пространстве.

Виды оборудования и общие технические характеристики

В производственно-технологическом процессе цементирования могут быть задействованы следующие смесительные установки и агрегаты отечественного производства: АУМ, ОСБ-II-30, УС-IV, УС6-30, СМР-20, УЦП, цементировочные головки и специальная арматура.

Смесительные установки используются для транспортирования цемента, тампонажной смеси, песка и т.п., регулировки величины подачи данных материалов и замешивания тампонажных растворов для цементации скважин и гидравлических разрывов водоносных пластов.

Самой большой популярностью пользуется смесительная установка УСБ-30. Машина предназначена для транспортирования порошкообразных компонентов тампонажных смесей и оборудована механически регулируемой величиной подачи (дозирования) материалов (цемента, песка и пр.). Система состоит из бункера, механизма отбора мощности от штатного двигателя, трансмиссии, смесительной головки, загрузочно-дозировочных конвейеров, приборов управления и вспомогательных механизмов.

Загрузка и выгрузка происходит в автоматическом режиме с помощью дозирующих конвейеров. При этом привод конвейеров осуществляется через коробку отбора мощности от штатного двигателя машины. Загрузка установки производится вакуумным способом с применением вакуумного компрессора или гравитационно через люки бункера. Выгрузка тампонажной смеси – пневматическая.

Цементировочная головка (ГУЦ или ГЦК), является одним из основных видов оборудования для цементирования скважин и предназначена для обвязки устья скважины. Модификации данного оборудования отличаются друг от друга конструктивным решением, габаритами и техническими характеристиками.

При этом цементировочные головки ГУЦ поставляются со штатными кранами высокого давления. Это позволяет вставлять цементировочную пробку заблаговременно, что исключает необходимость ее разборки-сборки в процессе цементирования. Головки ГЦК поставляются без кранов высокого давления, поэтому цементировочную пробку вставляют в нее после закачки тампонажного раствора.

Цементировочная арматура устанавливается на устье скважина. Данное оборудование предназначено для обеспечения герметичности соединения НКТ с обсадными трубами, «продавки» в тело скважины тамопнажного раствора и нагнетания давления жидкости при промывке скважины.

Как видно из сказанного, работы по цементированию скважин относятся к специальным технологическим процессам, которые характеризуются жесткими требованиями по соблюдению этапов технологии. Поэтому цементирование любых скважин, в том числе водонапорных частных сооружений, должны выполнять профессионально подготовленные исполнители при соответствующем специальном материально-техническом обеспечении, предварительных расчетах и геодезических исследованиях.

Что такое цементирование обсадных колонн скважины

Процедура цементирования осуществляется в несколько этапов и включает 5 ключевых работ. К ним относится создание раствора для тампонажа, закачка смеси в скважину, подача состава в пространство за колоннами, прерывающий интервал, во время которого состав застывает, и проверка готового результата на предмет качества. Сам процесс также может осуществляться разными методами, которые отличаются особенностями подачи цементной смеси в пространство за обсадной колонной и применяемой техникой.

Заливка цементного раствора в область за колонной может осуществляться двумя методами:

• Раствор помещается в саму обсадную колонну, после чего проходит ее по длине до башмака, откуда заливается в промежуток за трубами, а затем заполняет его снизу. Данный процесс называется прямым цементированием, будучи определенным аналогично процедуре промывки скважинного ствола для нефтедобычи.
• Раствор для тампонажных работ подается непосредственно в пространство за колонной, после чего заполняет место сверху. Этот вид подачи смеси называется обратным цементированием.

Выбор оборудования осуществляется в соответствии с определенным способом и технологией.

Способы цементирования скважин;

Способ цементирования выбирается в зависимости от условия залегания, литологического состава, проницаемости и степени насыщенности продуктивных пластов. Существует несколько способов цементирования скважин:

Одноступенчатое цементирование наиболее распространенное и заключается в следующем (рисунок 73). После того, как обсадная колонна спущена в скважину, на устье устанавливают цементировочную головку и приступают к промывке до полного выравнивания плотности бурового раствора (плотность бурового раствора на входе в скважину должна равняться плотности на выходе).

Перед началом цементирования все манифольдные линии от цементировочных агрегатов к цементировочной головке должны быть опрессованы на 1,5 кратное давление относительно рабочего в течение 3 минут.

Перед закачиванием в скважину цементного раствора желательно в колонну закачать буферную жидкость (водный раствор солей NaCl, CaCl₂ и др. или щелочь NaOН) для разжижения бурового раствора и уменьшения вязкости и статического напряжения сдвига.

Затем при помощи цементировочных агрегатов и цементосмесителей затворяют цементный раствор, который закачивают в обсадную колонну через цементировочную головку. Для того, чтобы расчетный объем цементного раствора выдавить в затрубное пространство, необходимо освободить цементировочную разделительную пробку, которая удерживается внутри цементировочной головки с помощью стопорного винта. Сверху цементировочной разделительной пробки в обсадную колонну закачивают продавочную жидкость.

Рисунок 73. Схема одноступенчатого цементирования

Последние 0,5-1 м 3 продавочной жидкости закачивается одним цементировочным агрегатом. В результате пробка «садится» на кольцо-стоп и в этот момент резко возрастает давление на цементировочной головке. Это служит окончанием процесса цементирования.

Двухступенчатое цементирование применяется в тех случаях, когда возникают трудности подъема цементного раствора на заданную высоту, либо высокая забойная температура, ограничивающая по времени проведение одноступенчатого цементирования, или требуется не сплошное цементирование.

Для этого в оснастку обсадной колонны включают разделительную цементировочную муфту, которую устанавливают на границе интервалов цементирования. Цементирование нижнего интервала происходит таким же образом как и одноступенчатое.

Перед тем, как закачать вторую порцию тампонажного раствора объемом, равным объему верхней части затрубного пространства, в скважину сбрасывают шар. Дойдя до цементировочной муфты, шар под действием давления сдвигает вниз подвижную втулку и открываются боковые отверстия, через которые в затрубное пространство выходит вторая порция тампонажного раствора.

Виды оборудования которое может понадобиться

В перечень технического обеспечения проведения работ включают следующее оборудование для цементирования скважин:

• цементировочные агрегаты, необходимые для затворения цемента и его продавливания в скважину под давлением;
• цементно-смесительные машины используют в тех же целях, что и цементировочные агрегаты;
• цементировочная головка необходима для проведения промывки скважинного ствола и последующего цементирования его стенок;
• заливочные пробки применяются в том случае, если выбирается двухступенчатое цементирование скважин;

другие виды мелкого оборудования, включая краны высокого давления, гибкие металлические шланги, устройства для распределения раствора и др.

Оборудование, необходимое для цементирования скважин, может быть установлено на грузовых автомобилях

Важно! Чтобы обеспечить качество выполнения сложной инженерной задачи, необходимо неукоснительно следовать требованиям технологического регламента, разработанного специалистами для крепления скважинных стволов. Также тампонажная бригада, в состав которой входят лишь квалифицированные рабочие, должна соблюдать технологическую дисциплину

Большое внимание уделяют и качеству используемых тампонажных материалов

Как видите, процесс цементирования скважин зависит от профессионализма людей, задействованных в работах, и от материалов, используемых для выполнения поставленной задачи.

Этапы работ при цементировании

В первую очередь после проведения расчетов необходимо подготовить нужное количество раствора. Для этого проводят установку специального смесителя и используют портландцемент. Именно это вещество является максимально прочным и устойчивым к различным механическим повреждениям после застывания.

• Готовый раствор закачивается в околотрубное пространство непосредственно после приготовления, поскольку имеет высокий порог застывания (то есть очень быстро стынет).
• Следующими этапом является затвердевание раствора. На это может уйти разное количество времени в зависимости от глубины скважины, толщины околотрубного пространства, марки и типа цементной смеси.
• На конечном этапе выполняется проверка выполненных работ, и качество цементирования скважин, а именно — испытание застывшего раствора на прочность.

В случае с водой, напомним, что большое её количество в растворе позволяет лучше заполнить все околотрубные пространства, но при этом скорость застывания цемента и его прочность оставляют желать лучшего. Поэтому так важен первичный расчет. А различные виды добавок позволяют усилить свойства готового цементного раствора, что также требует проведения глубокого анализа и расчета.

Схемы подачи тампонажного раствора в затрубное пространство

Существующие способы цементирования скважин отличаются друг от друга методом подачи цементного (тампонажного) раствора в затрубное пространство, а также особенностями используемых для этого приспособлений. Существует два варианта организации  подачи подготовленного раствора:

• прямая схема, которая подразумевает закачку раствора внутрь обсадной колонны с дальнейшим его прохождением до башмака и последующим поступлением в затрубное пространство, заполняющимся снизу вверх;
• обратная схема характеризуется подачей тампонажного раствора с поверхности в  затрубное пространство, при этом закачиваемая смесь перемещается сверху вниз.

При бурении скважин в промышленных масштабах чаще всего применяется способ цементирования, осуществляемый по прямой схеме. При этом процесс цементирования может проводиться в один цикл, во время которого весь объем необходимого для тампонирования раствора продавливается сразу.

Схематичное изображение процесса одноступенчатого цементирования скважины:

I.  Начало процесса подачи цементного раствора в ствол скважины.

II. Подача порции раствора, закачанного в скважину, вниз по обсадной колонне.

III. Начало процесса продавливания тампонажного материала в затрубное пространство.

IV. Завершение процесса продавливания тампонажного материала.

Схема одноступенчатого (одноциклового) цементирования скважин: 1 — Манометр для контроля давления; 2 — Головка цементировочная; 3 — Пробка верхняя; 4 -Пробка нижняя; 5 — Цементируемая обсадная колонна; 6 — Стены скважины; 7 — Стоп-кольцо; 8 — Жидкость для продавливания тампонажного материала; 9 — Раствор буровой; 10 — Цементный раствор

В очень глубоких скважинах прибегают к двухступенчатому цементированию. Весь фронт работ делится на интервалы, которые заполняются с помощью специального оборудования поочередно.

Наряду с перечисленными вариантами цементирования обсадных колонн существует также манжетный способ, при использовании которого часть ствола защищается от проникновения тампонажного раствора. С помощью манжеты происходит изоляция участка, расположенного в интервале продуктивного пласта.

В отдельную группу принято выделять способы цементирования потайных секций и колонн.

 Выбранная технология цементирования должна обеспечить:

• заполнение тампонажным раствором всего интервала ствола по всей длине его протяженности;
• полное вытеснение промывочной жидкости цементным раствором в рамках цементируемого интервала;
• защиту тампонажного раствора от попадания промывочной жидкости;
• получение прочного цементного камня, обладающего высокой стойкостью к механическим и химическим воздействиям, способного к выдерживанию высоких нагрузок, которые испытывают стенки ствола на глубине;
• хорошее сцепление затвердевшего цементного камня со стенками скважины и с поверхностью обсадной колонны.

Как цементируют скважину

Чтобы начать укрепление скважины, нам понадобится тампонажный раствор. В отличии от других растворов, он имеет свойство превращаться в твердую массу. Это свойство позволяет прикрепится обсадной колонне прямо к стенке скважины. Именно это значительно помогает сделать всю конструкцию гораздо прочнее. Весь процесс создания и заливания цемента можно условно разделить на такие части:

• подготовка к созданию тампонажного раствора
• заливка готовой смеси в затрубное пространство
• ожидание, когда смесь затвердеет
• оценка результата работы и качества.

Весь процесс цементирования довольно таки сложный. Чтобы правильно все сделать, нужно для начала иметь схему всех последовательных работ. Она создается в зависимости от того, какое строение скважин и прилегающей земли. Такие факторы, как величина участка тампонирования, название и марка раствора также влияют на весь процесс работы. Все эти характеристики должны быть в обязательном порядке проверены инженерным расчётом, потому что цепочка неправильных действий может повредить скважину и тогда придется все удалять и делать дополнительные превентивные меры по очистке скважины

В этом деле очень важно располагать не только теоретическим знанием, а еще и достаточным опытом проведения похожих видов работ

Суть цементирования состоит еще в том, чтобы не только упрочнять скважину, но еще также позволяет успешно удалить буровой раствор и промывочные жидкости из затрубного пространства.

Процесс цементирования скважины

Цементирование нефтяных скважин, как уже было сказано выше, является  заключительным этапом подготовки буровой к её дальнейшей эксплуатации. При бурении в скважину опускаются трубные колонны, а комплекс выполняемых  цементировочных  работ должен обеспечить максимальный  срок их службы.

Необходимость такого цементирования обусловлена несколькими причинами:

1. необходимостью изоляции каждой нефте- и газопродуктивной области; такая необходимость обусловлена тем, что нужно исключить всякую возможность перемешивания добываемых из разных пластов  нефти и газа с находящейся в них водой;
2. требованиями, регламентирующими защиту поверхностей применяемых металлических  труб; выполнения таких работ призвано обеспечить высокую коррозионную стойкость трубных колонн, поскольку взаимодействие их металлической поверхности и почвенной влаги приводит к снижению срока службы труб;
3. необходимостью усиления прочности всего бурового сооружения; применение технологий цементирования дает возможность  значительно уменьшить влияние на скважину возможных движений грунтов.

Одной из самых популярных и широко распространенных добавок является кварцевый песок. Работа с таким  «кварцевым» цементом  дает возможность до минимума снизить усадку  и значительно повысить  прочностные характеристики тампона.

Для исключения возможности утечки жидкого раствора в грунт с высокой пористостью применяется волокнистая целлюлоза.

Добавляют в цементную смесь и так называемые пуццоланы.

Эта крошка отличается хорошей водостойкостью и абсолютно инертна к воздействию химических сред повышенной агрессивности.

Полимерные добавки применяются, как правило, с целью уплотнения прилегающих грунтовых слоёв. По окончанию комплекса цементно-тампонажных работ проводят контроль качества тампонажа.

Качество тампонажа является очень важным для  газовых и нефтяных скважин, и оценивается оно с помощью следующих методик:

• термическая, которая позволяет определить требуемую  высоту поднятия цемента;
• акустическая, которая дает возможность обнаружить внутренние пустоты;
• радиологическая, которая позволяет оценить качество с помощью специальной рентгеновской аппаратуры.

Процесс оценки качества тампонажа проходит в несколько этапов, с применением или выборочных, или всех перечисленных выше методов контроля. Это дает гарантию  высокой точности проводимой проверки.

Добавки, улучшающие свойства тампонажных растворов

Для улучшения рабочих характеристик промывочного тампонажного раствора в качестве дополнительно используемых добавок используются:

• хлористый кальций и карбонат натрия. Применяются для сокращения сроков схватывания бетона. Добавление ускорителей в воду или в сухие компоненты позволяет получить БСС (быстросхватывающиеся смеси), которые используются при температуре скважины в пределах до 50-65°С. БСС с расширительными свойствами получают, добавляя к исходному сырью до 10-30% гипсоглиноземистого цемента. БСС на основе пуццолановых цементов отличаются низкой плотностью и высоким порогом интенсивности загустевания;
• гипс. Добавление гипса позволяет сократить срок твердения, в результате чего высокопрочный камень получается уже через 3-4 часа после закачки промывочного тампонажного раствора. Чтобы процесс схватывания не начался уже в бурильных трубах, в них специально добавляются замедлители процесса. Гипсо-цементные тампонажные суспезии гораздо более стойки к разбавлению водой, чем обычные цементные и применяются при наличии водяных пропластков;
• бентонит, применение которого увеличивает стартовую подвижность промывочного тампонажного раствора, что оптимизирует работу по закачке, особенно при необходимости применения высокой плотности цементирующего материала. Глиноцементные смеси обеспечивают стабильную вязкость рабочего материала во время продавливания его в зону поглощения, после чего происходит резкое увеличение параметра и наступление периода пластической прочности. Для улучшения характеристик бентонитовых смесей и нивелирования воздействия пластовых вод до начала твердения возможно добавление в раствор натриевого или калиевого силиката, в количестве 3-10% от массы цемента ;
• цементно-смолистая композиция (ЦСК) с использованием пластификатора ТЭГ-1 (эпоксидной алифатической смолы). Смола представляет собой вязкую жидкость желтого цвета, способную растворяться в воде. Используется при наличии осложнения скважины в виде близкорасположенных водоносных пластов;
• углеводородные добавки (дизельное топливо, добавляемое в количестве 30%). Соляро-цементные смеси используют при необходимости закачки раствора на большую глубину. Цементная составляющая инертна к углеводородам и раствор приобретает вязкость и пластическую прочность только после замещения дизтоплива водой. Для усиления прочности бетона и снижения материальных затрат допускается введение в массу до 50% кварцевого песка.

Технология цементирования

Есть два варианта подачи раствора в пространство вокруг обсадной трубы — прямой и обратный способ. Их главное отличие заключается в технологии заливки цемента:

• прямой способ закачки тампонажного раствора в пространство вокруг обсадной трубы подразумевает подачу цементной смеси сверху вниз. Таким образом, она опускается на дно скважины под тяжестью своего веса и заполняет все пустоты. Такой метод считается наиболее простым и эффективным;
• обратный метод подачи смеси выглядит несколько иначе. Смесь заливается прямо в обсадную трубу, на дне которой установлена пробка или диафрагма. Затем происходит продавливание раствора специальной жидкостью, которая подаётся под высоким давлением, и цементирующий раствор проходит снизу вверх.

Во время бурения скважин в промышленных масштабах наиболее востребованным является прямой метод подачи цементного раствора, так как он не требует больших затрат. При этом весь процесс заливки может иметь один цикл, а необходимый объём раствора подаётся сразу. В очень глубоких скважинах используется двухступенчатое цементирование. Такой процесс проходит несколькими этапами на отдельных участках скважины.

Реже всего используется манжетный метод, поскольку он очень затратный. В этом случае часть ствола закрывается манжетой, которая уберегает его от проникновения цементирующего раствора, а также с его помощью происходит изоляция участка, находящегося в районе продуктивного пласта.

Также при выборе метода подачи раствора необходимо принимать во внимание то, что в итоге нам необходимо получить такие результаты:

• тампонажный цемент должен абсолютно заполнить всё пространство между трубой и стенами скважины, поскольку наличие воздушных карманов при создании конструкции не допускается. Готовое покрытие должно иметь превосходное сцепление со всеми типами поверхностей;
• после полного застывания смеси образуется цементный камень. В процессе эксплуатации скважины он должен выдерживать воздействие грунтовых вод, а также хорошо переносить значительные нагрузки, возникающие на большой глубине под давлением земляных пород;
• вся промывочная жидкость из участка проведения работ должна быть полностью устранена, поскольку её наличие в готовом массиве является браком.

Как тампонажный раствор попадает в скважину

Существует несколько основных способов подачи раствора в затрубное пространство. Если тампонажный раствор подается прямо внутрь обсадной колонны — этот метод называется прямым. После чего идет медленное заполнение нижней части скважины, которая переходит в затрубное пространство, заполняя его. Именно этот вид подачи чаще всего используется. Чтобы проверять количество массы тампонажного раствора, используют две специальные пробки. Суть работы этих пробок в том, что когда подается раствор, то под определенным давлением закачивается еще дополнительно жидкость, давящая на верхнюю пробку. После чего она давит на раствор и нижнюю часть скважины. Бывает и более простой способ с применением всего одной пробки. Чтобы измерять давление жидкости, используют обычно манометр. Существует также и обратная подача раствора, при которой он попадает в затрубное пространство, но потом опускается через обсадную колонну.

Также бывает такой вид цементирования, как цементирование в одну ступень. При его использовании, практически вся порция раствора проходит в один прием. В этом виде также используют одну или две пробки с элементами прямой подачи.

При цементировании в две ступени, нужен немного больший опыт и слаженность действий. Этот вариант немного сложнее и его частично используют для больших глубин. На таких глубинах сопротивление возрастает, поэтому очень сложно сделать все в один прием, как в методах, описанных выше. Чтобы хоть как-то компенсировать такую глубину, применяют метод манжетного цементирования. Эти манжеты, образовывают некие кольца, которые постепенно ограничивают продвижение раствора. Такой метод позволяет осуществить постепенное цементирование отдельных участков скважины.

Опубликовано 02.06.2020 Обновлено 13.06.2020 Пользователем admin