Цементування свердловин технології, способи, обладнання

Надійність закріплення металевих труб, змонтованих для зміцнення стінок у будь-якій свердловині, досягається цементуванням свердловинного стовбура спеціальним розчином. Приготовлений розчин твердне, утворюючи монолітну оболонку, яка дозволяє надійно експлуатувати свердловину тривалий період. Це і є цементування свердловини.

Цементація затрубного простору свердловин

Останній вид роботи і найбільш значущий у процесі спорудження свердловини – наповнення вільного затрубного простору цементними розчинами, що швидко розширюються. Цей вид роботи потребує виконання з високою якістю. Правильний підбір складових розчину, технології подачі з урахуванням геологічної будови зрізу стовбура свердловини дозволить провести надійну герметизацію затрубного простору.

Особливу роль у такому підборі грає правильний вибір марки цементу, що розширюється, що дозволить уникнути перевитрати матеріалів.

У пористій геологічній породі не використовують звичайний цементно-піщаний розчин. У таких випадках вдаються до використання розчинів з волокнистим цементом (з використанням паперу, очерету), зумовлюючи значне скорочення матеріалу, що витрачається.

У глинистих проходах використовують звичайний цементно-піщаний розчин, який забезпечує надійну герметизацію за рахунок відмінного зчеплення.

Цементний розчин, введений у стовбур затрубного простору, твердне в строго певний проміжок часу, утворює цементний камінь, який заповнює всі мікротріщини, стійкий до різних водо-і хімвпливів, забезпечує хорошу адгезію і має підвищену довговічність.

Сучасна інженерія та технічний прогрес знайшлизастосування так званим спінюючим сумішам з властивістю при затвердінні збільшуватися в об'ємі, повністю заповнюючи ніші, тріщини та пазухи заколонного простору.

Прийом цементування свердловин

У будівельному виробництві прийнято розрізняти прийоми в подачі герметизуючої суміші в простір колод свердловин:

одноступінчастий;
двоступінчастий;
манжетний;
зворотний.

Цементування свердловин проводиться у суворій відповідності до проекту виконання робіт, який є складовою проекту на будівництво свердловини. Проектант повинен враховувати фактичну геологічну структуру по всій глибині свердловини. У розрахунках використовують конструктивні особливості свердловини, проміжок, що підлягає зміцненню. Суворе дотримання рекомендацій проектувальника – запорука успішної довготривалої експлуатації свердловини.

У практичному будівництві використовується 2 технології доставки тампонажного розчину:

пряма – поступове заповнення розчином простору знизу догори;
зворотна - переміщення розчину зверху вниз.

Зворотна технологіятампонування застосовується при невеликих глибинах свердловини. Приготовлений розчин подається зверху, між обсадною трубою та ґрунтом. Під власною вагою пластичний розчин опускається донизу, заповнюючи всі порожнечі.

Пряма технологіявикористовується на великих глибинах залягання підошви свердловини та налічує кілька варіантів виконання робіт.

1. Спосіб одноступінчастий.

Такий варіант виконання робіт передбачає затоку герметизуючої суміші у простір між трубою та стіною свердловини без переривання процесу. Перш ніж приступити до наповнення розчином, свердловинапромивається звичайною водою. У нижній частині труби кріпиться обмежувач руху пробки. Суміш видавлюється тиском з труби, призначеної для кріплення стін свердловини, в простір між трубою і стіною свердловини. У трубу насосом подається підготовлена суміш у повному обсязі.

Встановивши верхню пробку, за допомогою компресорної установки створюється тиск, необхідний для видавлювання суміші. Суміш піднімається нагору. У міру необхідності додається заздалегідь приготований розчин колону і з використанням вібропресу відбувається ущільнення закачаної суміші в заколонному просторі.

Закінчення подачі суміші відбувається під час зіткнення верхньої та нижньої пробок.

Після повного затвердіння розчину знімаються і витягуються всі пристрої, колона очищається від залишків розчину, промивається чистою водою, перевіряється на герметичність і передається в експлуатацію.

2. Двоступінчастий спосіб.

Цей спосіб має другу назву – двоциклове цементування. При неглибоких свердловинах застосовувати недоцільно, використовується на свердловинах, що мають нафтоносні горизонти на великих глибинах. Збільшення глибини свердловини, що розробляється, збільшує опір, що вимагає додаткових потужностей. Продавлювання тампонажного розчину за один цикл вздовж усієї свердловини важко. Збільшення тиску негативно впливає на геологічні шари, що залягають, руйнуючи їх. Це призводить до збільшення витрат на тампонування. Існує небезпека руйнування конструкції свердловини.

Такий спосіб використовується при:

необхідності поділити затрубний простір на кілька ділянок;
час схоплювання тампонажної суміші менший, ніж час завершення повного циклу;
необхідностібагаторазового збільшення тиску подається суміші, що вимагає додаткового енергоємного оснащення.

Другий цикл тампонування виконується при повному схоплюванні тампонажного розчину, виконаного в першому циклі.

3. Манжетне цементування.

У слабких ґрунтах, схильних до пластового гідророзриву або з низьким внутрішнім тиском, практикується застосування манжетного способу зміцнення свердловин. Цей метод передбачає цементування не по всій довжині обсадної труби, а виключно верхньої частини, для виключення впливу тиском тампонажного розчину на продуктивні нижні пласти.

У нижній частині обсадної труби на рівні передбачуваного цементування встановлюється манжета, попередньо проперфорована в місці закріплення. Вище отворів перфорації встановлюється стопорне кільце. Нагнітання тампонажного розчину відбувається, як і при одноступінчастому способі, з тією різницею, що затрубний простір розчин потрапляє через отвори, а не через черевик.

Наявність манжети дозволяє розчину опуститися нижче краю труби, у якому вона змонтована. Внутрішньопластовий тиск зберігається на природному рівні і не сприяє його руйнуванню.

4. Зворотне цементування.

Заповнення зверху пазух між трубою та стіною герметизуючим розчином називається зворотним цементуванням.

При такому способі рідина для промивання опускається під вагою розчину вниз і піднімається назад в обсадній трубі. Промивна рідина, що піднімається, зливається через гирло, що встановлюється нагорі обсадної труби, в очисну систему. При досягненні тампонажного розчину низу обсадної труби (черевика) процес закачування припиняється і робиться тимчасова витримка на періодтвердіння розчину.

Цей метод цементування менший тиск на навколишні породи. Відбувається повне заміщення рідини для промивання підготовленою герметизуючою сумішшю.

Такий спосіб має одну ваду – якість цементування навколо черевика колони знижена через часткове змішування промивного розчину з герметизованим.

Етапи виконання робіт з цементування свердловин

У будь-якому будівельному виробництві на початок будівництва свердловини складається проект організації будівництва (ПОС). Як правило, у цьому документі враховується:

складність та послідовність виконуваних робіт з урахуванням геології та конструктивних особливостей свердловини;
рекомендований спосіб виконання тампонажних робіт;
марка розчину;
відомості про забезпечення будівельного майданчика необхідними енергоустановками та їхнє матеріально-технічне забезпечення;
схема відведення промивних вод;
методи перевірки якості виконаних тампонажних робіт;
заходи з охорони праці та збереження довкілля.

Всі параметри, що входять до ПОС, підтверджуються математичними розрахунками.

Порушення цих правил зводяться до неправильного тампонування і, як наслідок – свердловина стає непридатною до експлуатації, так як не забезпечується герметичність свердловини, відбувається її забруднення поверхневими водами або з проміжних геологічних пластів.

Застосовувані машини, механізми та матеріали

Усі роботи з буріння, промивання, герметизації свердловин виконуються у польових умовах. Виникає потреба мати всі механізми, змонтовані на шасі автомобілів підвищеної вантажопідйомності та прохідності.

Необхіднімашини, механізми та допоміжне оснащення для виконання робіт з цементації:

машина приготування пластичної герметизуючої суміші (цементозмішувальна);
агрегат закачування готової суміші та продавлювання у свердловині;
насос, що подає герметизуючу суміш колону;
насос, що подає воду у змішувач приготування суміші;
головка промивання ствола свердловини перед цементацією;
пробки розділові – тільки для двоступінчастої заливки;
засувки та вентилі високого тиску;
спеціальний розподільний пристрій суміші;
набір гнучких рукавів, металевих шлангів;
муфта ступінчастого цементування;
мірні баки для визначення кількості закачаної суміші.

Правильний підбір в'яжучого матеріалу (цементу) у складі герметизуючої суміші забезпечує:

освіта після затвердіння високоміцного цементного каменю з високою здатністю протистояти агресивним хімічним впливам, підвищеною міцністю до механічних навантажень;
хорошу адгезію після затвердіння з породами стін свердловини та обсадною трубою;
якісне заповнення щілин, скосів та пазух у породі стін свердловин;
високоякісне твердіння та придбання проектної твердості розчину за вказаний період часу.

Крім вище названих характеристик, герметизуюча суміш повинна забезпечити:

рівномірне заповнення суміші, що нагнітається, по довжині і колу свердловини;
захист герметизованої суміші від попадання промивних залишків.

Такі характеристики суміші досягаються при застосуванні тампонажних цементів, що виготовляються з портландцементу та доменних.шлаків. Застосування таких цементів дозволить одержати високоякісний герметизуючий розчин. Дозування наповнювача та в'яжучого засобу визначається спеціальним розрахунком з урахуванням конкретного місця будівництва свердловини.

Особливості цементування нафтових свердловин та свердловин на воду

Залягання нафтоносних та водоносних шарів різко відрізняється за глибиною закладення. Як правило, свердловини для води менш глибокі.

Мета, переслідувана при цементації водоносної свердловини, полягає в необхідності ізоляції обсадних труб від корозії, запобігання затрубного простору від обвалу стінок свердловини в слабких геологічних породах, ізоляції експлуатаційного водоносного і пластів, що не використовуються.

Цементування нафтоносних свердловинпокликане значно підвищити конструктивну міцність свердловини для нівелювання впливу сил, що виникають на великих глибинах, при переміщенні грунтів. Важливу роль виконує цементування при розподілі та ізоляції різних нафтоносних горизонтів, не допускаючи їх змішування.

Виходячи з основних вимог при цементуванні нафтоносних свердловин використовуються спеціалізовані добавки в тампонажному розчині:

різні полімерні матеріали, які при застиганні розширюються і ущільнюють грунт, що прилягає до стінок свердловини;
для збільшення міцності цементного каменю, підвищення пластичності розчину використовують чистий кварцовий пісок;
для запобігання витоку рідкого цементного розчину в пористих ґрунтах застосовують крихту волокнистої целюлози;
для зниження дії агресивних хімікатів на цементний камінь застосовують крихту надлегких мінералів вулканічного походження.

Під час проведеннятампонажних робіт на нафтосвердловинах встановлюється суворий, багатоступінчастий контроль якості одержуваного цементного каменю в затрубному просторі.