Технология цементирования скважин

Расчеты, необходимые при цементировании скважин

После того, как проведена полная идентификация пробуренной скважины, приступают к  соответствующим расчетам, в ходе которых получают следующие необходимые для цементирования данные:

Вычисления можно проводить как в ручном режиме, так и с помощью автоматических средств, с применением необходимого программного обеспечения.

Для успешного расчета нужны перечисленные ниже входящие данные:

• диаметр цементируемой скважины;
• необходимое значение  плотности  цементного раствора;
• высоту кольца уплотнения;
• объем стакана и так далее.

После проведения автоматизированного расчета программа выдает результат в виде  таблицы, в которую включены все необходимые данные. Если в такой таблице заменить некоторые исходные  значения, то перерасчет проводится автоматически и результат будет иным.

В настоящее время расчет ручным способом применяется редко, однако эта методика до сих пор имеет право на свое существование. Входящие данные при ручном расчете ничем не отличаются от автоматизированного.

На примере одноступенчатой тампонажной технологии рассмотрим последовательность вычислений. Она выглядит таким образом:

• начинают расчет с вычисления высоты столба буферной жидкости с учетом предварительно определенного коэффициента аномальности;
• затем проводят расчет высоты столба цементирующего раствора, находящегося за пределами  эксплуатационной колонны;
• определяется необходимый объема такого раствора;
• рассчитывается вес сухой цементной части;
• вычисляется необходимое количества воды или иной разбавляющей жидкости;
• вычисляется максимальное значение давления, которое будет на упорном  кольце.

На заключительном этапе  расчета определяется требуемая подача цемента соответствующими агрегатами, а также количество цементирующих приборов. Также в процессе расчета определяется количество цементосмесителей,  необходимых для обеспечения  требуемого объема цементирующего раствора.

В заключении подведем итоги.

Разумеется, качество решения это непростой инженерной задачи находится в прямой зависимости  от соблюдения правильной последовательности и всех правил проведения необходимых технологических операций, а также от  корректности проведенных  расчетов и квалификации персонала. Рабочие и инженеры, непосредственно проводящие цементирование, должны целиком и полностью соблюсти все требования, предъявляемые к проведению этих работ.

Кроме того, важную роль в этом процессе играет качество применяемых для приготовления цементной смеси  материалов, а также исправность и эффективность применяемого оборудования. Соблюдение всех перечисленных требований позволяет провести эти работы качественно, что дает возможность существенно продлить срок эксплуатации  глубинных конструкций скважины.

Список используемой литературы:

• Нефть и Нефтепродукты — Википедия
• Хаустов, А. П. Охрана окружающей среды при добыче нефти/ Хаустов, А. П., Редина, М. М. Издательство: «Дело», 2006. 552 с.
• Алекперов, В.Ю. Нефть России: прошлое, настоящее и будущее /Алекперов В.Ю. М.: Креативная экономика, 2011. – 432 с.
• Издательство: «Нефть и газ», 2006. 352 с. Сургутнефтегаз.
• Экономидес, М. Цвет нефти. Крупнейший мировой бизнес: история, деньги и политика/ Экономидес М., Олини Р. Издательство: «Олимп-Бизнес», 2004. 256 с.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ СКВАЖИН

Заключительный этап проведения буровых работ сопровождается процессом, который предполагает цементирование скважин. От того, насколько качественно будут проведены эти работы, зависит жизнеспособность всей конструкции. Основная цель, преследуемая в процессе проведения данной процедуры, заключается в замещении бурового раствора цементным, который имеет еще одно название — тампонажный раствор. Цементирование скважин предполагает введение состава, который должен затвердеть, превратившись в камень. На сегодняшний день существует несколько способов осуществления процесса цементирования скважин, наиболее часто используемому из них более 100 лет. Это одноступенчатое цементирование обсадной колонны, явленное миру в 1905 году и используемое сегодня лишь с некоторыми доработками.

ПРОЦЕСС ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ

Технология осуществления цементирования скважин предполагает проведение 5 главных видов работ: первый — замешивание тампонажного раствора, второй — закачивание состава в скважину, третий — подача смеси выбранным методом в затрубное пространство, четвертый — затвердевание тампонажной смеси, пятый — проверка качества осуществленных работ.

Перед стартом работ должна быть составлена схема цементирования, которая имеет в основе технические расчеты процесса

Важно будет при этом взять во внимание горно-геологические условия; протяженность интервала, которому необходимо укрепление; характеристики конструкции скважинного ствола, а также его состояние. Следует использовать в процессе проведения расчетов и опыт осуществления таких работ в определенном районе

ОСОБЕННОСТИ НАГНЕТАНИЯ

Цементирование допустимо производить разными методами подачи смеси в затрубное пространство, более того, могут быть применены в процессе проведения работ и различные приспособления. Цементирование скважин может предполагать прямую подачу смеси, такая схема предполагает поступление цемента во внутреннее пространство обсадной колонны с последующим его прохождением непосредственно до башмака и дальнейшим поступлением в затрубное пространство, при этом поступление раствора производится снизу-вверх. При обратной схеме закачка производится в обратном порядке, сверху вниз.

Осуществление цементирования скважин при этом может производиться в один подход, в ходе которого требуемый объем для тампонирования смеси продавливается за один раз.

Двухступенчатое цементирование применяется, когда скважина имеет значительную глубину. Технологический процесс делится на поочередное заполнение отдельных интервалов посредством применения оборудования. Манжетное цементирование, в отличие от вышеперечисленных способов, предполагает защиту части ствола от прохождения тампонажной смеси. Манжета позволяет изолировать участок, располагающийся на протяженности продуктивного пласта. Скважина может иметь скрытые колонны и секции, их цементирование можно выделить в отдельную группу.

Осуществление цементирования скважин, независимо от выбранного метода проведения работ, преследует цель изгнания из затрубного пространства раствора, образованного бурением, что возможно путем помещения туда тампонажного раствора. Цементирование обеспечивает полное заполнение тампонажной смесью интервала ствола; устранение промывочной жидкости посредством проникновения цементной смеси в рамках интервала, предназначенного для цементирования; защиту тампонажной смеси от проникновения промывочной жидкости; образование цементного камня, который характеризуется значительной устойчивостью к разного рода воздействиям в виде глубинных нагрузок; отличное сцепление цементного камня со стенами скважины и с поверхностью обсадной колонны.

ИНСТРУМЕНТЫ И МАТЕРИАЛЫ:

• цементировочные агрегаты, предназначенные для проведения затворения смеси и ее последующего продавливания под значительным давлением;
• цементно-смесительное оборудование;
• цементировочная головка для осуществления промывки ствола и дальнейшего цементирования его стен;
• заливочные пробки для двухступенчатого цементирования;
• краны высокого давления;
• стальные гибкие шланги;
• устройства, предназначенные для проведения распределения раствора.

Что представляет собой процесс цементирования буровой?

Цементирование нефтяных и газовых скважин – это финишный этап подготовки буровой к эксплуатации. Комплекс работ направлен на обеспечение максимального срока службы сооружения. Это продиктовано следующими причинами:

Необходимость изолировать каждую нефтегазоносную область. Это делается для того, чтобы исключить возможность смешивания сырья и воды из разных пластов.
Требования, которые регламентируют защиту металлической трубной поверхности

Эти работы следует выполнить, чтобы обеспечить высокую стойкость от коррозии, которая возникает в результате воздействия почвенной влаги на металл.
Важность повышения прочности всего сооружения. Цементирование позволяет снизить влияние движения грунтов на скважину.

Для создания качественного цементного раствора используются различные добавки. Одной из наиболее популярных считается кварцевый песок. Материал позволяет снизить усадку до минимума и существенно увеличить прочность тампона. Волокнистая целлюлоза применяется для исключения возможных утечек жидкого раствора в пористый грунт.

В качестве одного из компонентов смеси могут использоваться пуццоланы. Они представляют собой своеобразную крошку из минералов, имеющую вулканическую природу. Отличаются водостойкостью и отсутствием реакции при воздействии агрессивных химических сред. Полимерные добавки используются для уплотнения прилегающих слоев грунта.

В конце проводится контроль выполненного тампонажа. Важную роль играет качество работ, проводимых на газовой и нефтяной скважине. Оно оценивается следующими способами:

• термический – определяет высоту требуемого поднятия цемента;
• акустический – позволяет обнаружить наличие внутренних пустот;
• радиологический – применение специального рентгеновского излучения.

Каждая из приведенных технологий позволяет провести контроль качества полученной пробки. Процесс проводится многоступенчато, что гарантирует высокую точность проверок.

Основные способы закачивания раствора

Методы цементирования скважин подразделяются на виды в зависимости от того, как подается тампонирующий раствор в затрубное пространство и какие конкретно для этого употребляются приспособления. Активно используется пара основных способов, каковые мы и рассмотрим.

Цементирование сплошного типа либо одноступенчатое

Данный метод имеет следующие изюминки:

1. Состав закачивается прямо в обсадную колонну посредством особого устройства.
2. Раствор продвигается по всей колонне вплоть до его основания – башмака.
3. Потом смесь заполняет все затрубные полости, двигаясь снизу-вверх – от основания к поверхности.

Промышленные организации значительно чаще применяют этот метод, поскольку с его помощью возможно добиться значительно отличных показателей

Значительно чаще работы производятся за один цикл, при таком варианте принципиально важно, дабы целый нужный количество тампонажного состава был закачан в скважину и продавливался сразу же в затрубное пространство

Рассмотрим изюминки проведения процесса:

• Сначала в большинстве случаев проводится очистка всех полостей. Скважина заполняется промывочной жидкостью.
• Работа начинается с ввода в скважину особого устройства – нижней пробки, которая будет являться ограничителем.
• Потом начинается закачка нужного объема раствора, в ходе чего пробка неспешно опускается вниз.
• В то время, когда целый раствор загружен в скважину, ставится верхняя пробка и начинается продавливание смеси вниз по столбу скважины, пока нижняя пробка не упрется в ограничительное кольцо внизу системы.
• Продавливание длится, пока верхний ограничитель не упрется в нижний и целый раствор уйдет в межтрубное пространство, поднимаясь по нему снизу-вверх по мере заполнения.

Двухступенчатая система

Данный метод имеет свои особенности, каковые мы и рассмотрим:

1. Все работы производятся следующим образом: раздельно заделывается нижний уровень, а раздельно – верхний. Это нужно в случаях, в то время, когда температурные показатели уровней существенно различаются либо количество раствора, нужного с целью проведения работ, через чур громадно.
2. Еще до начала работ для разграничения слоев ставится особое устройство: разделительное кольцо.

Существует два метода проведения работ. При первом сначала заливается нижний слой, а по окончании его застывания в полость закачивается верхний. Второй метод предполагает одновременное закачивание смеси как снизу, так и сверху.

Цементирование манжетного типа

Данный метод используется в случаях, в то время, когда нужно изолировать лишь верхнюю часть скважины. Определяется нужный уровень, до которого будет производиться заполнение. На данной отметке на обсадной трубе закрепляется особый манжет.

Для заполнения раствором в колонне должна быть предусмотрена перфорация.

Обратное цементирование

Данный метод отличается от перечисленных выше:

1. Раствор закачивается не через обсадную колонну, а через полости поступает в затрубное пространство.
2. Раствор, по мере поступления выталкивает жидкость через обсадную трубу.

Громадного распространения данный метод не взял, поскольку весьма сложно проконтролировать, в то время, когда раствор достигнет низа колонны. Помимо этого, наряду с этим способом нельзя контролировать, что раствор внизу владеет всеми нужными свойствами прочности.

Факторы, от которых зависит состав раствора для цементирования

Раствор, приготавливаемый для заполнения околоскважинного пространства, может различаться по составу в зависимости от условий, в которых он используется:

Чем выше температура, тем стремительнее схватывается раствор – это фактор направляться учитывать неизменно.

Чем выше содержание воды в растворе, тем он лучше заполняет все полости. Но наряду с этим состав значительно продолжительнее сохнет и при застывании набирает меньшие показатели прочности.

Виды цементов и добавки к ним. Для работ используются самые разные типы цемента: от особых тампонажных сортов до кварцевых, волокнистых и саморасширяющихся составов. А добавки смогут придать составу воистину неповторимые свойства, но и их цена высока.

Технологии тампонирования

Способы цементирования скважин, которые применяются в настоящее время, имеют между собой различия в подаче цементирующих (тампонажных) смесей в пространство, находящееся за обсадной колонной, и в применяемом технологическом оборудовании.

Имеются следующие схемы закачки готовых смесей:

Прямая схема. В ходе закачки по такой схеме подача смеси осуществляется непосредственно внутрь обсадной колонны, которая опускается до «башмака», выходит в затрубное пространство и заполняет его снизу до верха скважины.

Обратная схема. Цементаж подается непосредственно в затрубное пространство, заполнение происходит сверху вниз.

В ходе масштабного бурения наиболее часто используется прямая схема, и сама процедура выполняется за один цикл, при котором подается все необходимое количество тампонажной смеси.

Оборудование для тампонирования

Оборудование для цементирования скважин должно быть таким:

• агрегат цементировочный, обеспечивающий затворение растворов и их подачу внутрь скважин под давлением;
• смесительный агрегат аналогичного назначения, что и цементировочный;
• головка цементировочная, при помощи которой промывают ствол скважин и тампонируют его стены;
• заливочные пробки, которые используют в качестве ограничителей в случае выполнения двухступенчатого процесса цементации;
• прочее оборудование, такое как распределительные устройства для подачи смеси, металлорукава, краны высокого давления.

Одноступенчатое тампонирование

Одноступенчатое цементирование скважин получило большое распространение при цементировании водяных скважин бытового назначения. При этом тампонажная смесь с избыточным давлением подается в затрубное пространство агрегатами, установленными на грузовое автомобильное шасси или стационарную платформу, расположенную на близком расстоянии. Тампонажная смесь движется вниз по колонне, достигает дна и затем заполняет все затрубное пространство.

Есть определенная технология цементирования скважин. Перед цементированием они промываются, и в ствол обсадной колонны проводится крепление нижней пробки в качестве ограничителя. Затем с помощью бетонного насоса производится подача смеси. Опускаясь по стволу, смесь давит на пробку, продвигая ее до «башмака» колонны. После этого в колонну ставят верхнюю пробку и начинают процесс уплотнения смеси при помощи вибропресса с одновременной подкачкой дополнительного количества смеси внутрь скважины.

В момент касания верхней пробки нижней считается, что процесс уплотнения раствора завершен и что весь поданный раствор наполнил пространство за обсадной колонной. По завершении процесса цементирования раствору дают до 48 часов для полного застывания. Одноступенчатый тампонаж применяется для скважин небольшой глубины, имеющих простую геометрию ствола. Главный недостаток данного метода состоит в том, что нельзя определить время достижения раствором «башмака» колоны.

Двухступенчатое или двухцикловое цементирование

Двухступенчатое цементирование скважин было специально создано для тампонирования нефтеносных источников. Требуя наличия технологического оборудования большой мощности, этот метод тампонирования используется редко.

В основном способ применяется при таких условиях:

• когда тампонажная смесь застывает за такое короткое время, что невозможно за 1 раз заполнить пространство за обсадной колонной;
• необходимо пространство за обсадной колонной разделить на несколько участков;
• большая глубина, что не дает провести тампонирование из-за очень высокого давления, требуемого для подачи смеси.

Метод двухступенчатого тампонирования состоит в том, что подачу тампонажной смеси выполняют в два цикла. В ходе первого цикла закачивается количество смеси, которое заполняет только определенную часть затрубного пространства. После застывания смеси, по истечении не менее 13 часов, подается оставшееся требуемое количество смеси для полного заполнения затрубного пространства.

Какое оборудование используется при производстве работ

Комплект нужных агрегатов достаточно широк, они владеют большим весом и внушительными габаритами, исходя из этого значительно чаще их располагают на платформе замечательной автотехники, как отечественного, так и зарубежного производства.

Источником энергии для данных комплексов оборудования помогает двигатель автомобиля, исходя из этого они не зависят от прокладки энергетических магистралей.

Автомобильная установка самостоятельно проводит целый технологический цикл:

• Сначала в емкость добавляется точно дозированное количество цемента, по окончании чего подается определенный количество воды.
• Смесь тщательнейшим образом перемешивается и всецело готова к применению.
• Потом особое насосное оборудование под большим давлением подает состав в обсадную колонну.

Понятие о цементировании обсадных колонн. Цели и способы цементирования скважин.

Разобщение пластов при существующей технологии
крепления скважин — завершающий и наиболее ответственный этап, от качества
выполнения которого в значительной степени зависит успешное строительство
скважины. Под разобщением пластов понимается комплекс процессов и операций,
проводимых для закачки тампонажного раствора в затрубное пространство (т. е. в
пространство за обсадной колонной) с целью создания там надежной изоляции в
виде плотного материала, образующегося со временем в результате отвердения
тампонажного раствора. Поскольку в качестве тампонажного наиболее широко применяется
цементный раствор, то и для обозначения работ по разобщению используется термин
«цементирование».

Цементный камень за обсадной
колонной должен быть достаточно прочным и непроницаемым, иметь хорошее
сцепление (адгезию) с поверхностью обсадных труб и со стенками ствола скважины.
Высокие требования к цементному камню обусловливаются многообразием его
функций: плотное заполнение пространства между обсадной колонной и стенками
ствола скважины; изоляция и разобщение продуктивных нефтегазоносных горизонтов
и проницаемых пластов; предупреждение распространения нефти или газа в
затрубном пространстве под влиянием высокого пластового давления; заякоривание
обсадной колонны в массиве горных пород; защита обсадной колонны от
коррозионного воздействия пластовых вод и некоторая разгрузка от внешнего
давления.

Цементирование
включает пять основных видов работ:

приготовление
тампонажного раствора, закачку его в скважину, подачу тампонажного раствора в
затрубное пространство, ожидание затвердения закачанного материала и проверку
качества цементировочных работ.

Существует несколько способов цементирования. Они различаются
схемой подачи тампонажного раствора в затрубное пространство и особенностями
используемых приспособлений. Возможны два варианта подачи тампонажного раствора
в затрубное пространство: раствор, закачанный внутрь цементируемой обсадной
колонны, проходит по ней до башмака и затем поступает в затрубное пространство,
распространяясь снизу вверх (по аналогии с промывкой называется цементированием
по прямой схеме); тампонажный раствор с поверхности подают в затрубное
пространство, по которому он перемещается вниз (цементирование по обратной
схеме).

В
промышленных масштабах применяют способы цементирования по прямой схеме. Если
через башмак обсадной колонны в затрубное пространство продавливают весь
тампонажный раствор, способ называется одноступенчатым
(одноцикловым) цементированием. Если обсадная колонна на разных уровнях
оснащена дополнительными приспособлениями (заливочными муфтами), позволяющими
подавать тампонажный раствор в затрубное пространство поинтервально на разной
глубине, способ цементирования называется многоступенчатым
(многоцикловым). 

Простейший и наиболее распространенный способ —
цементирование в две ступени (двухступенчатое). Иногда возникает необходимость
не допустить проникновения тампонажного раствора в нижнюю часть обсадной
колонны, расположенную в интервале продуктивного пласта, тогда этот интервал в
затрубном пространстве изолируется манжетой, установленной на обсадной колонне,
и сам способ цементирования называется манжетным. Выделяются также способы
цементирования потайных колонн и секций, поскольку тампонажный раствор в этом
случае закачивают по бурильной колонне, на которой спускают секцию или потайную
колонну.

Способы заливки раствора в скважину

Основными способами цементирования скважин являются:

• сплошное или одноступенчатое;
• двухступенчатое;
• манжетное;
• обратное.

Все способы цементирования водозаборных скважин основаны на одном принципе — закачке в затрубное пространство тампонажного раствора. При этом выбор технологии цементирования зависит от конкретных условий: типа грунта, глубины скважины, материала обсадных труб, климатических и гидрогеологических условий местности. Выбранная технология тампонирования скважины на воду должна обеспечить:

• заполнение раствором всего створа скважины на всю глубину;
• полностью вытеснить промывочную жидкость (при её наличии);
• создание высокопрочного цементного камня, устойчивого к физическим, механическим и химическим воздействиям;
• высокий показатель адгезии с грунтовыми стенками скважины, обсадными трубами.

Для глубоких скважин применяют сегментарное цементирование, т.е. цементируется не весь створ скважины сразу, а только его отдельные сегменты. Этот процесс очень сложный и практика показывает, что выполнить его самостоятельно практически невозможно. Поэтому подробнее рассмотрим технологию одно- и двухступенчатого и манжетного цементирования.

Одноступенчатое или сплошное цементирование

Этот способ наиболее часто применяют для цементирования бытовых водоносных скважин. При его реализации цементирующий раствор закачивается в затрубное пространство. Раствор закачивается под давлением при помощи оборудования, которое установлено на платформу спецавтомобиля или стационарно недалеко от скважины. Цементирующий раствор под своей тяжестью движется к основанию-«башмаку» обсадной колонны, заполняя все затрубные полости.

Перед началом работ по цементированию проводится промывка скважины, а затем вводится нижняя пробка, которая будет выполнять роль ограничителя. Включается бетононасос и начинается закачка тампонирующего раствора, под воздействием которого пробка опускается, пока не достигнет «башмака» обсадной колонны.

После закачки раствора устанавливается верхняя пробка и начинается уплотнение цементной смеси, до тех пор, пока верхняя пробка не упрётся в нижнюю. Это будет означать, что раствор заполнил всё затрубное пространство. Уплотнение осуществляется вибропрессом при помощи подкачки раствора бетононасосом.

Зацементированная скважина оставляется в покое на 36-48 часов для полного затвердевания раствора. Данный способ подходит только для неглубоких ровных по конфигурации скважин. Недостатком этого метода является невозможность отследить момент, когда цементный раствор достиг нижней точки створа скважины.

Двухступенчатая система заливки

Этот метод цементирования был разработан для скважин нефтяной промышленности. По причине того, что он требует использования серьёзного промышленного оборудования (мощного бетононасоса), в обустройстве скважин он применяется не часто. Двухступенчатое цементирование используют в следующих случаях:

• цементный раствор схватывается настолько быстро, что нельзя закончить цементирование в один цикл;
• когда требуется выделить два участка в затрубном пространстве, которые разделены значительным расстоянием;
• при большой глубине скважины, когда провести работы в один цикл невозможно.

В остальных случаях применение двухступенчатого способа нецелесообразно по причине длительности процесса и экономическим показателям.

Принцип двухступенчатого цементирования основан на том, что закачка цемента в затрубное пространство осуществляется в два приёма. Первая порция тампонажного раствора загружается и продавливается. Опускается нижняя пробка, которая род действием раствора пробка опускается на дно. Вторая порция раствора закачивается через 12-36 часов, после окончательного затвердевания первой порции.

Применение манжетного способа

Этот метод цементирования используется, если необходимо укрепить только верхнюю часть скважины. При этом первоначальной задачей будет определение уровня, до которого будет производиться цементирование. Уровень отмечается по обсадной трубе установкой специального манжета. Нижняя часть створа при этом надёжно защищена манжетой от проникновения тампонирующего раствора.

Раствор закачивается точно так же, как и при одноступенчатом цементировании. Применяется манжетный способ в том случае, если верхняя часть скважины расположена на песчаных грунтах, а нижняя — на глинистых. Это встречается достаточно редко, поэтому данный способ не нашёл широкого применения.