2.10.3. Цементирование обсадных колонн

Цель цементирования обсадной колонны — получение проч­ного, концентрично расположенного в затрубном простран­стве кольца цементного камня, надежно изолирующего вскры­тые скважиной поглощающие, газо-, водо-, нефтепроявляющие горизонты.

Для цементирования обсадных колонн применяют цемент­ные растворы, приготовляемые из тампонажных цементов и воды. При размешивании тампонажного цемента с водой получают жидкую и легкотекучую массу.

Механические свойства свежих цементных растворов ана­логичны свойствам глинистых растворов. С течением време­ни цементный раствор загустевает, теряет свою подвижность. Этот процесс, называемый схватыванием цементного раство­ра, происходит в течение нескольких часов после перемеши­вания цемента с водой. В конце схватывания раствора це­ментная масса упрочняется и образует цементный камень. Окончательное упрочнение, или затвердение цементной мас­сы происходит в течение многих дней.

Цемент, предназначенный для цементирования обсадной ко­лонны, тщательно исследуют в лаборатории для выяснения его пригодности и уточнения рецептуры цементного раствора. Качество цементного раствора в значительной мере зависит от содержания в нем воды. Излишек воды приводит к получению пористого и непрочного цементного камня. Недостаток воды в цементном растворе вызывает его быстрое схватывание, что затрудняет проведение цементирования обсадных колонн [30].

Для обеспечения нормальных условий цементирования об­садной колонны рекомендуется при приготовлении цементно­го раствора добавлять воды 40 —50 % от массы цемента, т. е. на каждые 100 т цемента приходится 40 —50 т воды.

О качестве цементного раствора, закачиваемого в обсад­ную колонну, судят по его плотности, которая должна коле­баться от 1750 до 1950 кг/м³.

Качество цементирования обсадной колонны зависит так­же от начала и конца схватывания цементного раствора. Схватывание цементного раствора должно начинаться после окончания цементирования колонны. Следует добиваться, чтобы разница во времени между началом и концом схватывания цементного раствора была небольшой.

Для цементирования обсадных колонн применяют следую­щие тампонажные цементы:

1) для «холодных» скважин с температурой на забое до 40 °С;

2) для «горячих» скважин с температурой на забое до 75 °С;

3) для глубоких скважин с температурой на забое 100 —120 °С. Цемент для «холодных» скважин, смешанный с пресной

водой (50 % от массы цемента), должен иметь начало схваты­вания от 3 до 7,5 ч с момента его затворения, конец схваты­вания — не более 3 ч после начала схватывания. Следова­тельно, при цементировании скважин с температурой на за­бое до 40 ° С необходимо закончить весь процесс не более чем за 2,5 ч.

Цемент для «горячих» скважин, смешанный с пресной водой (50 % от массы цемента), должен иметь начало схваты­вания от 1 ч 45 мин до 2 ч 45 мин после затворения, конец схватывания — не более 1 ч 30 мин после начала схватыва­ния. Таким образом, процесс цементирования с температу­рой на забое до 75 °С необходимо закончить за 1 ч.

Цемент для глубоких скважин получают в результате помо­ла цементного клинкера с добавкой гипса. Начало схватыва­ния такого цемента должно наступать не менее чем через 1 ч 15 мин с момента его затворения. Как видно, в глубоких сква­жинах процесс цементирования должен длиться менее 1 ч.

Для цементирования кондукторов кроме перечисленных тампонажных цементов выпускается специальный цемент с добавкой 25 — 30 % песка.

Для особых условий цементирования обсадных колонн вы­пускаются утяжеленные тампонажные цементы (при приме­нении промывочной жидкости с плотностью до 2200 кг/м³), волокнистые тампонажные цементы (для уменьшения глуби­ны проникновения цементного раствора в сильнопористые пласты), гель-цементы (для цементирования зон поглощения промывочной жидкости) и др.

Подготовленный и проверенный в лаборатории тампонажный цемент в необходимом количестве засыпают в специаль­ные цементосмесительные машины и отправляют на буровую. К этому времени туда же доставляют и цементировочные агре­гаты. В комплект последних входят насосы с большой подачей, способные создать необходимое давление для вытеснения из обсадной колонны в затрубное пространство цементного ра­створа. Цементировочные агрегаты и цементосмесительные ма­шины обвязываются трубопроводами друг с другом и с цемен­тировочной головкой, установленной на обсадной колонне.

Перед началом цементирования скважину промывают до тех пор, пока плотность закачиваемой в нее жидкости не станет равной плотности жидкости, выходящей из скважины. Наиболее распространены одноступенчатый и двухступенча­тый способы цементирования обсадных колонн.

Одноступенчатый способ цементирования обсадных колонн (рис. 2.17) заключается в следующем. До закачки цементного раствора в обсадную колонну опускают нижнюю цементиро­вочную пробку 2, предназначенную для отделения цементно­го раствора от находящейся в колонне промывочной жидко­сти. Нижняя пробка 2 имеет отверстие, перекрытое резино­вой перепонкой. После этого на колонну навинчивают голов­ку 1 с верхней цементировочной пробкой, не имеющей сквоз­ного отверстия.

Затем цементный раствор закачивают в обсадную колон­ну. Требуемый объем этого раствора определяется исходя из условия, чтобы к концу цементирования в обсадной колонне осталась небольшая порция цементного раствора (цементный стакан), а за обсадной колонной цементный раствор поднял­ся на заданную высоту. После окончания закачки цементного раствора в обсадную колонну проталкивают верхнюю (без отверстия) цементировочную пробку 4 и затем прокачивают промывочную жидкость. резкое повышение давления.

Когда нижняя пробка дойдет до упорного кольца, она остановится. Давление над пробкой повысится и резиновая перепонка лопнет. При дальнейшей закачке промывочной жидкости в колонну верхняя пробка подойдет к нижней и закроет отверстие в ней. Возникнет гидравлический удар. Манометр на цементировочной головке зафиксирует

После этого краны цементировочной головки закрывают и скважину оставляют в покое на 16 ч для затвердевания це­ментного раствора за кондуктором и на 24 ч — за промежу­точной и эксплуатационной колоннами.

При цементировании обсадных колонн в глубоких скважи­нах приходится прокачивать довольно большие объемы це­ментного раствора и продавочной жидкости за весьма огра­ниченное время, определяемое сроком начала схватывания цементного раствора. В таких условиях применяется двухсту­пенчатое цементирование, при котором цементный раствор закачивается в колонну и продавливается в затрубное про­странство двумя порциями. Первая порция цементного ра­створа продавливается за колонну через башмак, а вторая — через отверстия в заливочной муфте, установленной в обсад­ной колонне на значительном расстоянии от башмака.

Независимо от конструкции заливочной муфты сущность способа двухступенчатого цементирования заключается в сле­дующем. Обсадную колонну с башмаком, башмачным патруб­ком, обратным клапаном (если он необходим) и заливочной муфтой спускают в скважину. После подготовки скважины к цементированию в нее закачивают первые порции цементно­го раствора и продавочной жидкости, а затем спускают ниж­нюю цементировочную пробку. За нижней пробкой закачи­вают вторую порцию цементного раствора и спускают вто­рую (верхнюю) цементировочную пробку. Затем в скважину закачивают вторую порцию продавочной жидкости. В про­цессе закачивания жидкости первая (нижняя) пробка дохо­дит до упорного кольца в заливочной муфте, садится на него и срезает медные шпильки. Передвижной цилиндр освобож­дается, перемещается до упора вниз и открывает отверстия в удлиненной муфте. К этому моменту заканчивается продав-ливание первой (нижней) порции цементного раствора в зат­рубное пространство через башмак колонны и начинается вытеснение за колонну через отверстия в заливочной муфте второй (верхней) порции цементного раствора.

Продавливание за колонну второй порции цементного ра­створа заканчивается посадкой верхней пробки на нижнюю. После твердения цементного раствора разбуриваются обе пробки в заливочной муфте и, если это требуется, разбуривают обрат­ный клапан и цементный стакан в нижней части колонны.

Описанные методы цементирования обсадных колонн, обес­печивающие перекрытие цементным раствором затрубного про­странства от башмака и выше, удовлетворяют условиям це­ментирования кондукторов и промежуточных колонн, но не всегда могут быть применены при цементировании эксплуата­ционных колонн. Иногда целесообразно не цементировать зат­рубное пространство, расположенное против нефтеносного пласта, а осуществлять подъем цементного раствора над его кровлей. В этом случае применяется манжетное цементирова­ние. При этом способе нижняя часть эксплуатационной колон­ны, длина которой равна мощности продуктивного пласта, со­стоит из перфорированных обсадных труб. Над перфориро­ванным участком в колонне устанавливают прямой клапан, а несколько выше — специальную заливочную муфту. Снаружи, несколько выше прямого клапана, устанавливается брезенто­вая манжета, которая при вытеснении цементного раствора из колонны через отверстия в заливочной муфте прижимается плотно к стенке скважины, препятствуя движению цементно­го раствора по затрубному пространству вниз.