§ 4. Цементування обсадних колон
Мета цементування обсадної колони - отримання міцного, концентрично розташованого в затрубному просторі кільця цементного каменю, що надійно ізолює розкриті свердловиною поглинаючі, газо-водо-нафтопроявні горизонти.
Для цементування обсадних колон застосовують цементні розчини, що готуються з тампонажних цементів та води. При розмішуванні тампонажного цементу з водою одержують рідку та легкотекучу масу.
Механічні властивості нових цементних розчинів аналогічні властивостям глинистих розчинів. З часом цементний розчин загусає, втрачає свою рухливість. Цей процес, званий схоплювання цементного розчину, відбувається протягом декількох годин після перемішування цементу з водою. Наприкінці схоплювання розчину цементна маса зміцнюється та утворює цементний камінь. Зміцнення або затвердіння цементної маси триває протягом багатьох днів.
Цемент, призначений для цементування обсадної колони, ретельно досліджують у лабораторії для з'ясування його придатності та уточнення рецептури цементного розчину.
Якість цементного розчину значною мірою залежить від вмісту у ньому води. Надлишок води призводить до отримання пористого та неміцного цементного каменю. Нестача води в цементному розчині викликає його швидке схоплювання, що ускладнює проведення цементування колон. Для забезпечення нормальних умов цементування обсадної колони рекомендується при приготуванні цементного розчину додавати води 40-50% від ваги цементу, тобто на кожні 100 т цементу припадає 40-50 т води.
Про якість цементного розчину, що закачується в обсадну колону, судять за його густиною, яка повинна коливатися від 1750 до 1950 кг/м 3 .
Якість цементування обсадної колонизалежить також від початку та кінця схоплювання цементного розчину. Схоплювання цементного розчину повинне починатися після закінчення цементування колони. Час цементування має перевищувати 75% від терміну початку схоплювання цементного розчину. Слід домагатися, щоб різниця в часі між початком та кінцем схоплювання цементного розчину була невеликою.
Для цементування обсадних колон застосовують такі тампонажні цементи:
1) для холодних свердловин з температурою на вибої до 40 ° С;
2) для гарячих свердловин з температурою на вибої до 75 ° С;
3) для глибоких свердловин з температурою на вибої 100 - 120 ° С.
Цемент для холодних свердловин, змішаний з прісною водою (50% від ваги цементу), повинен мати початок схоплювання від 3 до 7,5 год з моменту його замішування, кінець схоплювання - не більше 3 год після початку схоплювання. Отже, при цементуванні свердловин з температурою на вибої до 40 ° С необхідно закінчити весь процес цементування не більше ніж за 2,5 год (3 чХО, 75 год = 2,5 год).
Цемент для гарячих свердловин, змішаний з прісною водою (50% від ваги цементу), повинен мати початок схоплювання від 1 год 45 хв до 2 год 45 хв після замішування, кінець схоплювання - не більше 1 год 30 хв після початку схоплювання. Таким чином, процес цементування з температурою на вибої до 75°С необхідно закінчити за 1 год (1,5 чX0,75 ч=1 год).
Цемент для глибоких свердловин одержують внаслідок помелу цементного клінкеру з добавкою гіпсу. Початок схоплювання такого цементу має наступати не менше ніж через 1 год 15 хв з моменту його замішування. Як видно, у глибоких свердловинах процес цементування повинен тривати менше 1 год.
Для цементування кондукторів, крім перерахованих тампонажних цементів, випускається спеціальний цемент здобавкою 25-30% піску.
Для особливих умов цементування обсадних колон випускаються обважнені тампонажні цементи (при застосуванні промивної рідини з щільністю до 2200 кг/м 3 ), волокнисті тампонажні цементи (для зменшення глибини проникнення цементного розчину в сильнопористі пласти), гель-цемент (для цементу) ) та ін.
Мал. 63. Цементозмішувальна машина 2СМН-20
Мал. 64. Цементувальний агрегат ЗЦА-400
Підготовлений і перевірений у лабораторії тампонажний цемент у необхідній кількості засипають у спеціальні цементозмішувальні машини (рис. 63) і відправляють на бурову. На той час туди доставляють і цементувальні агрегати (рис. 64). У комплект останніх входять насоси з високою подачею, здатні створити необхідний тиск для витіснення з колони обсадної в затрубний простір цементного розчину.
Цементувальні агрегати та цементозмішувальні машини обв'язуються трубопроводами один з одним та з цементувальною головкою, встановленою на обсадній колоні.
Перед початком цементування свердловину промивають доти, поки щільність рідини, що закачується в неї, не стане рівною щільності рідини, що виходить зі свердловини.
Найбільш поширені такі способи цементування обсадних колон: одноступінчастий та двоступінчастий.
Одноступінчастий спосіб цементування обсадних колон (мал. 65) полягає у наступному. До закачування цементного розчину в обсадну колону опускають нижню цементувальну пробку (рис. 66, с), призначену для відділення цементного розчину від промивної рідини, що знаходиться в колоні. Нижня пробка2(див. рис. 65 а) має отвір, перекритий гумовою перетинкою. Після цього наколону нагвинчують головку1з верхньою цементувальною пробкою (див. рис. 66,6), що не має наскрізного отвору.
Мал. 65. Стадії одноступеневого цементування:
/ - Головка;2 -нижня пробка;3- завзяте кільце;4 -верхняпробка;5 - цементний розчин
Потім цементний розчин закачують в колону обсадну. Потрібний обсяг цього розчину визначається виходячи з умови, щоб до кінця цементування в колоні обсадної залишилася невелика порція цементного розчину (цементний стакан), а за обсадною колоною цементний розчин піднявся на задану висоту. Після закінчення закачування цементного розчину в обсадну колону проштовхують верхню (без отвору) пробку цементу4(рис. 65,б)і слідом за нею прокачують промивну рідину.
Коли нижня пробка дійде до наполегливого кільця (див. рис. 65,в),вона зупиниться. Тиск над пробкою підвищиться і гумова перетинка лусне. При подальшому закачуванні рідини для промивання в колону верхня пробка підійде до нижньої і закриє отвір в ній (див. рис. 65,г).Виникне гідравлічний удар. Манометр на цементувальній головці зафіксує різке підвищення тиску.
Після цього крани головки цементу закривають і свердловину залишають у спокої на 16 год для затвердіння цементного розчину за кондуктором і на 24 год для затвердіння цементного розчину за проміжною та експлуатаційною колонами.
При цементуванні обсадних колон у глибоких свердловинах доводиться прокачувати досить великий обсяг цементного розчину та продавочної рідини за дуже обмежений час, що визначається терміном початку схоплювання цементного розчину. У таких умовах застосовується двоступінчасте цементування, за якого цементний розчинзакачується в колону і продавлюється у затрубний простір двома порціями. Перша порція цементного розчину продавлюється за колону через черевик, а друга - через отвори в муфті заливки, встановленої в обсадній колоні на значній відстані від черевика,
Мал. 66. Цементувальні пробки для одноступінчастого цементування:а- нижня;б- верхня
Заливальні муфти можуть мати різну конструкцію. Одна з них наведена на рис. 67. Обсадні-труби згвинчуються один з одним за допомогою подовженої муфти4з отворами /. Всередину муфти вставлений пересувний циліндр2,тимчасово закріплений мідними шпильками5.На нижньому кінці пересувного циліндра встановлюється упорне кільце3.
Незалежно від конструкції муфти заливки сутність способу двоступінчастого цементування полягає в наступному. Обсадну колону з черевиком, черевичним патрубком, зворотним клапаном (якщо він необхідний) і заливною муфтою спускають у свердловину. Після підготовки свердловини до цементування в неї закачують перші порції цементного розчину та продавочної рідини, а потім спускають нижню пробку цементу (рис. 68, а). За нижньою пробкою закачують другу порцію цементного розчину і спускають другу (верхню) пробку цементу. Потім свердловину закачують другу порцію продавочної рідини (рис. 68,б).
У процесі закачування рідини перша (нижня) пробка доходить до завзятого кільця3(див. рис. 67) в заливальній муфті, сідає на нього і зрізає мідні шпильки5.Пересувний циліндр звільняється, переміщається до упору вниз і відкриває отвори / в подовженій муфті4.
До цього моменту закінчується продавка в затрубний простір через черевик колони першої.(нижньої) порції цементного розчину і починається витіснення за колону через отвори в муфті заливки другої (верхньої) порції цементного розчину.
Продавка за колону другої порції цементного розчину закінчується посадкою верхньої пробки на нижню (рис. 68, е).
Після твердіння цементного розчину розбурюють обидві пробки в муфті заливки і, якщо це потрібно, розбурюють зворотний клапан і цементний склянку в нижній частині колони.
Ми розглянули двоступінчастий метод цементування із застосуванням двох цементувальних пробок, що обмежують другу порцію цементного розчину. Іноді застосовується двоступінчасте цементування із чотирма пробками, коли кожна пара пробок обмежує обидві порції цементного розчину. У цьому випадку процес цементування аналогічний до описаного. Різниця полягає тільки в тому, що при двоступінчастому цементуванні з чотирма пробками нижня частина колони обсаджується так само, як і при одноступінчастому цементуванні.
Описані методи цементування обсадних колон, що забезпечують перекриття цементним розчином затрубного простору від черевика колони та вище, задовольняють умовам цементування кондукторів та проміжних колон, але не завжди можуть бути застосовані при цементуванні екс-
плуатаційних колон. Іноді доцільно не цементувати затрубний простір проти нафтоносного пласта, а здійснювати підйом цементного розчину над його покрівлею. І тут застосовується манжетне цементування.