Литература(Книги)

Всё про нефть и газ \Главная \Начало \Литература \Подразделы \Книги
\Заканчивание скважин

	ГЛАВА 8 УСТАНОВКА ЦЕМЕНТНЫХ МОСТОВ
	Одна из серьезных разновидностей технологии процесса це­ментирования — установка цементных мостов различного на­значения. Повышение качества цементных мостов и эффективности их работы — неотъемлемая часть совершенствования процессов бу­рения, заканчивания и эксплуатации скважин. Качеством мос­тов, их долговечностью определяется также надежность охра­ны недр окружающей среды. Вместе с тем промысловые дан­ные свидетельствуют, что часто отмечаются случаи установки низкопрочных и негерметичных мостов, преждевременного схватывания цементного раствора, прихвата колонных труб и т.д. Эти осложнения обусловлены не только и не столько свойст­вами применяемых тампонажных материалов, сколько специ­фикой самих работ при установке мостов. В глубоких высокотемпературных скважинах при проведе­нии указанных работ довольно часто происходят аварии, свя­занные с интенсивным загустеванием и схватыванием смеси глинистого и цементного растворов. В некоторых случаях мос­ты оказываются негерметичными или недостаточно прочными. Например, только 40—50 % мостов, устанавливаемых в глубо­ких скважинах Северного Кавказа, являются удачными. Успешная установка мостов зависит от многих природных и технических факторов, обусловливающих особенности форми­рования цементного камня, а также контакт и "сцепление" его с горными породами и металлом труб. Поэтому оценка несущей способности моста как инженерного сооружения и изучение условий, существующих в скважине, обязательны при прове­дении этих работ. Несмотря на то что из всех видов операций, связанных с це­ментированием скважин, наибольшее число случаев с неудач­ным или безрезультатным исходом приходится на установки мостов, этот вопрос еще недостаточно освещен в литературе. 542

	8.1. СПЕЦИФИКА УСТАНОВКИ ЦЕМЕНТНЫХ МОСТОВ В ГЛУБОКИХ СКВАЖИНАХ Цель установки мостов — получение устойчивого водогазо-нефтенепроницаемого стакана цементного камня определенной прочности для перехода на вышележащий горизонт, забурива-ния нового ствола, укрепления неустойчивой и кавернозной ча­сти ствола скважины, опробования горизонта с помощью испы­тателя пластов, капитального ремонта и консервации или лик­видации скважин. По характеру действующих нагрузок можно выделить две категории мостов: 1) испытывающих давление жидкости или газа и 2) испытывающих нагрузку от веса инструмента во время забуривания второго ствола, применения испытателя пластов или в других случаях. Мосты, относящиеся ко второй категории, должны помимо газоводонепроницаемости обладать весьма высокой механичес­кой прочностью. Анализ промысловых данных показывает, что на мосты мо­гут создаваться давления до 85 МПа, осевые нагрузки до 2100 кН и возникают напряжения сдвига на 1 м длины моста до 30 МПа. Такие значительные нагрузки возникают при опробо­вании скважин с помощью испытателей пластов и при других видах работ. Несущая способность цементных мостов в значительной мере зависит от их высоты, наличия (или отсутствия) и состояния глинистой корки или остатков бурового раствора на колонне. При удалении рыхлой части глинистой корки напряжение сдвига составляет 0,15—0,2 МПа. В этом случае даже при воз­никновении максимальных нагрузок достаточна высота моста 18—25 м. Наличие на стенках колонны слоя бурового (глинис­того) раствора толщиной 1—2 мм приводит к уменьшению на­пряжения сдвига и к увеличению необходимой высоты до 180— 250 м. В связи с этим высоту моста следует рассчитывать по формуле -£^-                                                  (8.1)
	где Но — глубина установки нижней части моста; QM — осевая нагрузка на мост, обусловливаемая перепадом давления и раз­грузкой колонны труб или испытателя пластов; Dc — диаметр скважины; [тм] - удельная несущая способность моста, значе­ния которой определяются как адгезионными свойствами там-понажного материала, так и способом установки моста. 543

	Герметичность моста также зависит от его высоты и состоя­ния поверхности контакта, так как давление, при котором про­исходит прорыв воды, прямо пропорционально длине и обратно пропорционально толщине корки. При наличии между обсадной колонной и цементным камнем глинистой корки с напряжением сдвига 6,8—4,6 МПа, толщиной 3—12 мм градиент давления прорыва воды составляет соответственно 1,8 и 0,6 МПа на 1 м. При отсутствии корки прорыв воды происходит при градиенте давления более 7,0 МПа на 1 м. Следовательно, герметичность моста в значительной мере зависит также от условий и способа его установки. В связи с этим высоту цементного моста следует также определять и из выражения
				(8.2)
	где рж — максимальная величина перепада давлении, действу­ющего на мост при его эксплуатации; [Ар] — допустимый гради­ент давления прорыва флюида по зоне контакта моста со стен­кой скважины; эту величину также определяют в основном в зависимости от способа установки моста, от применяемых там-понажных материалов. Из значений высоты цементных мостов, определенных по формулам (8.1) и (8.2), выбирают большее. Ориентировочные значения [тм], [Ар] при установке мостов через заливочную ко­лонну с применением раствора из портландцемента в зависимо­сти от технологии установки приведены в табл. 8.1. Таблица 8.1 Ориентировочные значения[тм]и[Др]
	Условия и технологические мероприя­тия по установке моста		[Ар], МПа/м	[тм], МПа/м
	С применением скребков иферных жидкостей С применением моющих буф	В обсаженной скважине 5,0 2,0		1,0 0,5 0,05
	жидкостей Без скребков и жидкостей		1,0
	В необсаженнои скважине С применением скребков и моющих бу- 2,0 0,5 ферных жидкостей С применением абразивных буферных 1,0 0,2 жидкостей С применением неабразивных буфер- 1,0 0,05 ных жидкостей Без буферных жидкостей 0,5 0,01
	544

	Установка мостов производится по балансовому методу, сущность которого состоит в следующем. Спускают до забоя заливочные трубы и промывают скважину до выравнивания параметров бурового раствора, затем затворяют и продавливают в трубы цементный раствор. Необходимым условием при этом является обязательное соответствие плотности продавочного раствора плотности бурового раствора, благодаря чему проис­ходит уравновешивание цементного раствора в трубах и кольце­вом пространстве. После продавки трубы поднимают до опреде­ленной отметки, а избыточный цементный раствор вымывают обратной промывкой. Установка моста имеет много общего с процессом цементиро­вания колонн и обладает особенностями, которые сводятся к следующему: 1)  используется малое количество тампонажных материа­лов; 2)  нижняя часть заливочных труб ничем не оборудуется, стоп-кольцо не устанавливается; 3) не применяются резиновые разделительные пробки; 4)   во многих случаях производится обратная промывка скважин для "срезки" кровли моста; 5)  мост ничем не ограничен снизу и может растекаться под действием разности плотностей цементного и бурового раство­ров. Установка моста — простая по замыслу и способу проведения операция, которая в глубоких скважинах существенно ослож­няется под действием таких факторов, как температура, давле­ние, газо-, водонефтепроявления и др. Немаловажное значение имеют также длина, диаметр и конфигурация заливочных труб, реологические свойства цементного и бурового растворов, чистота ствола скважины и режимы движения нисходящего и восходящего потоков. На установку моста в необсаженной части скважины значительное влияние оказывает кавернозность ствола. Цементные мосты должны быть достаточно прочными. Практика работ показывает, что если при испытании на проч­ность мост не разрушается при создании на него удельной осе­вой нагрузки 3,0—6,0 МПа и одновременной промывки, то его прочностные свойства удовлетворяют условиям как забурива-ния нового ствола, так и нагружения от веса колонны труб или испытателя пластов. При установке мостов для забуривания нового ствола к ним предъявляется дополнительное требование по высоте. Это обус­ловлено тем, что прочность верхней части (Нг) моста должна 545

	обеспечить возможность забуривания нового ствола с допусти­мой интенсивностью искривления, а нижняя часть (Но) — на­дежную изоляцию старого ствола. (8.3) где Д. - радиус искривления ствола. Опыт бурения и эксплуатации скважин показывает, что оп­тимальное значение интенсивности искривления ствола состав­ляет 1—2° на 10 м, что соответствует радиусу искривления более 500 м. Значение Но определяют из условий (8.1) и (8.2). Характерно, что число неудачных или безрезультатных операций одинаково велико при производстве работ как в обса­женной, так и в открытой части ствола скважины. Анализ большого фактического материала, собранного на промыслах Кубани, Ставрополья, Дагестана, Чечни и Ингуше­тии, показал, что при увеличении глубин скважин число не­удачных операций и работ, приведших к осложнению, не уменьшается, в то время как стоимость работ по ликвидации их последствий резко возрастает. При этом было установлено, что из всех видов работ, связанных с цементированием, наибольшее число операций с неудачным исходом приходится на установки мостов. По данным, опубликованным в США, из 143 операций, связанных с установкой мостов из латексцемента, только 89 (62,3 %) оказались удачными. Второе место по числу операций с неудачным или безрезультатным исходом занимает цементи­рование под давлением с целью проведения исправительных работ. Установка цементного моста - трудоемкая и дорогостоящая операция. Так, время установки моста в 146-мм колонне на глу­бине 2400 м составляет 38,8 ч. При этом не учтены работы по разбуриванию верхней части моста и различные осложнения, часто происходящие в скважинах. Для ускорения и удешевле­ния этих работ многие исследователи предлагают устанавли­вать короткие мосты взамен обычных, в связи с чем были разра­ботаны различные механизмы, спускаемые в скважину на тру­бах, кабеле или тросе. Однако по ряду технических причин они не нашли широкого применения и в настоящее время исполь­зуются редко. Большая часть мостов устанавливается обычным способом при помощи заливочных труб. Поэтому здесь рассмат­риваются только примеры стандартной установки цементных мостов. Анализ имеющихся данных показывает, что получение на­дежных мостов в глубоких скважинах зависит от комплекса од- 546

	новременно действующих факторов, которые могут быть разде­лены на три группы. Первая группа — природные факторы: температура, давле­ние и геологические условия (кавернозность, трещиноватость, действие агрессивных вод, водо- и газопроявления и поглоще­ния). Вторая группа - технологические факторы: скорость движе­ния потоков цементного и бурового растворов в трубах и кольце­вом пространстве, реологические свойства растворов, химичес­кий и минералогический состав вяжущего материала, физико-механические свойства цементного раствора и камня, контрак-ционный эффект тампонажного цемента, сжимаемость бурового раствора, неоднородность плотностей, коагуляция бурового раствора при смешении его с цементным (образование высоко­вязких паст), величина кольцевого зазора и эксцентричность расположения труб в скважине, время контакта буферной жид­кости и цементного раствора с глинистой коркой. Третья группа — субъективные факторы: использование не­приемлемых для данных условий тампонажных материалов; неправильный подбор рецептуры раствора в лаборатории; недо­статочная подготовка ствола скважины и использование бурово­го раствора с высокими значениями вязкости, СНС и водоотда­чи; ошибки при определении количества продавочной жидкос­ти, места расположения заливочного инструмента, дозировки реагентов для затворения цементного раствора на скважине; применение недостаточного числа цементировочных агрегатов; применение недостаточного количества цемента; низкая сте­пень организации процесса установки моста. Увеличение температуры и давления способствует интен­сивному ускорению всех химических реакций, вызывая быст­рое загустевание (потерю прокачиваемости) и схватывание там­понажных растворов, которые после кратковременных остано­вок циркуляции иногда невозможно продавить. До настоящего времени основной способ установки цемент­ных мостов — закачивание в скважину цементного раствора в проектный интервал глубин по колонне труб, спущенной до уровня нижней отметки моста с последующим подъемом этой колонны выше зоны цементирования. Как правило, работы про­водят без разделительных пробок и средств контроля за их движением. Процесс контролируют по объему продавочной жидкости, рассчитываемому из условия равенства уровней це­ментного раствора в колонне труб и кольцевом пространстве, а объем цементного раствора принимают равным объему скважи­ны в интервале установки моста. Эффективность данного спосо- 547

	ба низка, что и подтверждается данными практики: до 50 % мостов оказываются непрочными, негерметичными или они вообще отсутствуют. Опыт установки мостов в глубоких высокотемпературных скважинах показывает, что в районах, которые отличаются вы­сокими геотермическими условиями, установленные цемент­ные мосты часто оказывались непрочными и негерметичными. В некоторых случаях при продавливании цементный раствор преждевременно схватывался в заливочных трубах.
	8.2. ОСОБЕННОСТИ ВЫБОРА РЕЦЕПТУРЫ РАСТВОРОВ ВЯЖУЩИХ ВЕЩЕСТВ ДЛЯ УСТАНОВКИ МОСТОВ Прежде всего следует отметить, что вяжущие материалы, применяемые для цементирования обсадных колонн, пригодны для установки прочных и герметичных мостов. Как было ука­зано выше, некачественная установка мостов или вообще их от­сутствие, преждевременное схватывание раствора вяжущих веществ и другие факторы в определенной степени обусловлены неверным подбором рецептуры растворов вяжущих веществ по срокам загустевания (схватывания) или отклонениями от подо­бранной в лаборатории рецептуры, допущенными при приго­товлении раствора вяжущих. Установлено, что для уменьшения вероятности возникнове­ния осложнений сроки схватывания, а при высоких температу­рах и давлениях сроки загустевания должны превышать про­должительность работ по установке мостов не менее чем на 25 %. В ряде случаев при подборе рецептур растворов вяжущих не учитывают специфики работ по установке мостов, заключаю­щихся в остановке циркуляции для подъема колонны заливоч­ных труб и герметизации устья. В условиях высоких температур и давления сопротивление сдвигу цементного раствора даже после кратковременных оста­новок (10—20 мин) циркуляции может резко возрасти. Поэтому циркуляцию восстановить не удается и в большинстве случаев колонна заливочных труб оказывается прихваченной. Вследствие этого при подборе рецептуры цементного раство­ра необходимо исследовать динамику его загустевания на кон­систометре (КЦ) по программе, имитирующей процесс уста­новки моста. Программа исследований на КЦ представлена в табл. 8.2. 548

	Таблица 8.2 Программа исследований на КЦ
	Условия исследования на КЦ Продолжитель- Вращение ность исследо- ш мешалки вании Нагрев от комнат- Повышение давле- Да Т1+ Т2+ Т3 ной температуры ния до рдин ДО *„„„ Поддержание тем- Поддержание дав- Нет 1,5(Г4+ Ть + пературы опыта в ления в пределах + ту пределах Рст < Рол < Рцин Тоже Тоже Да 1,2 Т.
	Примечание. Величины £от иря — температура и давление при про­ведении опыта; р!ЩИ и рст — динамическое и статическое давление в зоне ус­тановки моста.
	Время загустевания цементного раствора T3i ветствовать условию		должно соот-
	Г8 + 1,5(Г4	Гв) + 1,2Г7,	(8.4)
	где Тг, Т2,Та — затраты времени соответственно на приготовле­ние, закачивание и продавливание цементного раствора в сква­жину; Г4, Ть, Тв — затраты времени на подъем колонны зали­вочных труб до места срезки моста, на герметизацию устья и производство подготовительных работ по срезке моста; Т1 — за­траты времени на срезку моста. По аналогичной программе необходимо исследовать смеси цементного раствора с буровым в соотношении 3:1,1:1 и 1:3 при установке цементных мостов в скважинах с высокими темпера­турой и давлением. Успешность установки цементного моста в значительной степени зависит от точного соблюдения подобранной в лабора­тории рецептуры при приготовлении цементного раствора. Здесь главные условия - выдерживание подобранного содер­жания химических реагентов и жидкости затворения и водоце-ментного отношения. Для получения возможно более однородного тампонажного раствора его следует приготовлять с использованием осредни-тельной емкости.

	8.3. ОЦЕНКА ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ИСХОД РАБОТ ПО УСТАНОВКЕ ЦЕМЕНТНЫХ МОСТОВ Тот или иной исход работ по установке цементного моста за­висит от большого числа факторов, что обусловливает вероятно­стную природу конечного результата. Ниже проанализированы результаты диагностического ис­следования 117 операций по установке цементных мостов в объ­единениях "Грознефть" и "Краснодарнефтегаз". Операции считались успешными при осуществлении забу-ривания нового ствола и неудачными, если моста не было или забуривание ствола не удалось вследствие низкой прочности моста. Анализ был произведен по 16 факторам, которые были под­разделены на неуправляемые в процессе работ и управляемые. К неуправляемым факторам отнесены: глубина нахождения нижней границы моста — Хг; возраст пород (по стратиграфичес­кой колонке) — Ха; значение зенитного угла ствола в интервале установки моста — Х4; диаметр долота — Хъ; плотность бурового раствора - Х7; способ забуривания ствола - Хи. К управляемым факторам отнесены: протяженность (проектная высота) моста — Х2; диаметр заливочных труб в ин­тервале моста - Х6; тип вяжущего вещества - Xs; разность плотностей тампонажного и бурового растворов — Х9; объем там-понажного раствора - Х10; отношение объема тампонажного раствора к внутреннему объему колонны заливочных труб — Хп; Х12 = Ут - Уп-100 % (где Ут - внутренний объем колонны за­ливочных труб; Vn - объем продавочной жидкости); скорость подъема тампонажного раствора по затрубному пространству — Х18; продолжительность периода ОЗЦ — Хи; наличие или отсут­ствие буферной жидкости — Х16. Значимость (весомость) фактора определялась величиной диагностического коэффициента (ДК), а характер влияния его на исход операции — знаком: положительное значение соответ­ствует успешному исходу; отрицательное — неудачному. В табл. 8.3 приведены значения факторов и знаки ДК, соот­ветствующие наиболее и наименее благоприятным условиям установки цементных мостов. Суммирование диагностических коэффициентов всех факто­ров позволяет отнести исход операции по установке моста к тому или иному классу; к успешности операции — при q(X) а А; к не­успешности операции — при (X) s В; неопределенный исход — 550

	Таблица 8.3 Значение факторов и знаки ДК
	Условия установки мостов Условия установки мостов Наиболее Наименее Наиболее Наименее Факторы благоприятные благоприятные Факторы благоприятные благоприятные Значение Значение Значение Значение факторов ДК факторов ДК факторов ДК факторов ДК Н е у п р а в л я е м ы е фактор ы Управляемые факторы Х1;м 3001-4000 0,80 4000 -2,50 Х2, м 71-000 1,50 160 -1,80 *з Юрские 4,31 Меловые -1,71 Х6, мм 141 0,95 114 -3,09 отложения отложения ШПЦС 1,76 ЦПС -0,34 Х4, градус 0-2 2,22 10 -3,02 Х„, кг/м3 0,0 1,84 0,31-0,45 -2,05 Х5, мм 161 2,55 140 -4,14 Х10,м3 10,1-15,0 2,10 5,0 -3,69 Х7, кг/м3 1810-2000 1,58 1410-1610 -1,04 Хп,м 0,33-0,44 2,24 0,20 -2,47 Турбинный 1,07 Роторный -2,43 Х12, % 5,1-7,0 3,64 3,0 -13,18 Х13, м/с 1,20 5,21 0,61-0,80 -8,94 ^14. СУТ 5 6,26 2 -11,52 Х16 (вода) Да 4,32 Нет -0,57 Итого 12,53 -14,84 Итого 29,82 -47,65

	при В < q(X) <А, где q(X) - алгебраическая сумма ДК управля­емых и неуправляемых факторов; А и В — пороги распознавания конечного исхода работ (соответственно успешного и неуспеш­ного), A = 101g—-; B = 101g-a
	l-P аир — ошибки первого и второго рода. При аир, равных 0,05 (пять ошибок на 100 операций), А = = 13иВ = -13. Таким образом, если q(X) = 13, то это означает, что с вероятностью 0,95 операция будет выполнена успешно, а при q(X) = -13 с той же вероятностью операция по установке моста будет неудачна. Анализ значимости факторов, представленных в табл. 8.3, свидетельствует о незначительном воздействии неблагоприят­ных факторов на конечный исход операции по установке мостов при отсутствии осложнений (поглощений, каверн, проявле­ний). Так, даже при наиболее неблагоприятной ситуации (сумма неуправляемых факторов 2ДК = -14,84) можно подбо­ром соответствующих значений управляемых факторов (2ДК = = 29,82) обеспечить благоприятный исход с вероятностью более 0,95, т.е. q(X) = -14,84 + 29,82 = 14,98. Наиболее весомыми являются следующие управляемые факторы: Х10, Хп, Х12, Х1а, Хи и Х16 (вода). Выбор соответствующих значений каждого из этих факторов может оказать решающее влияние на успешность операции по установке цементного моста.
	8.4. ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ДОСТАВКИ ЦЕМЕНТНОГО РАСТВОРА В ИНТЕРВАЛ УСТАНОВКИ МОСТА Доставка в интервал установки моста тампонажного раствора необходимого качества и объема — одно из решающих условий благоприятного исхода работ. Производственный опыт, подтвержденный научными ис­следованиями, свидетельствует о потерях цементного раствора за счет адгезии (налипания) на стенки труб и смешения с буро­вым раствором и, кроме того, об ошибках в определении объема прокачанной продавочной жидкости. Для предупреждения продавливания в интервалах установ­ки цементного моста смеси тампонажного раствора с продавоч- 551

	ной жидкостью или собственно продавочной жидкости при оп­ределении ее объема Vn следует исходить из уравнений Уп = V,(l - AV);                                                                     (8.5) AV = м т +С0+С1+С3,                                                           (8.6)
	где VT — внутренний объем колонны заливочных труб, м8; AV — относительное превышение над внутренним объемом заливоч­ной колонны объема продавочной жидкости; Нм - протяжен­ность цементного моста, м; ST — площадь внутреннего сечения колонны в интервале установки цементного моста; м2; Со — ко­эффициент, учитывающий неточность продавливания цемент­ного раствора при контроле по объему продавочной жидкости; Сх — коэффициент потерь вследствие адгезии цементного рас­твора на стенках труб; С8 — коэффициент потерь цементного раствора при смешении со второй порцией буферной жидкости. Значения коэффициентов приведены в табл. 8.4. По результатам исследований установлено, что одно из ос­новных условий доставки в интервал установки моста необхо­димого объема тампонажного раствора может быть записано как +Co),                                         (8.7)
	где Sc — площадь поперечного сечения скважины в интервале установки моста, м2; С2 — коэффициент потери цементного рас­твора при смешении с первой порцией буферной жидкости (см. табл. 8.4). Следует подчеркнуть, что при использовании воды в качест­ве буферной жидкости потери цементного раствора резко со­кращаются, также уменьшаются и объемы зон смешения с бу­ровым раствором и буферной жидкостью.
	Таблица 8.4 Сводка коэффициентов к расчетам
	Для бурильных труб с вые а- ДляТТТСТ Коэффи- женными внутрь концами циенты с буферной без буферной с буферной без буферной жидкостью жидкости жидкостью жидкости с, 0,01 0,03 - 0,01 с2 0,02 0,04 0,01 0,02 с3 0,02 0,03 0,01 0,02 с4 0,02 — 0,02 — с5 0,40 — 0,40 — Се 0,03 0,20 0,03 0,20 Со 0,01 0,02 0,01 0,02
	552

	Экспериментальные исследования по смешению тампонаж -ного раствора с глинистым и буферной жидкостью (водой), про­веденные непосредственно на бурящихся скважинах, показа­ли, что зоны смешения могут быть очень значительными. При этом общую протяженность подъема тампонажного раствора Нж и зоны смешения Нсж в кольцевом пространстве от башмака за­ливочной колонны без учета образования застойных зон (за­густевшие массы бурового раствора и скопления шлама) опре­деляют по уравнению Я тт , Vt+Vcm                                                                /о о\ см=-"м+--------------'                                                                 (О-О)
	где Усм - объем зоны смешения, м8; SK - площадь кольцевого сечения скважины, м2; С6 — коэффициент потери, учитываю­щий смешение цементного раствора в кольцевом пространстве (от башмака заливочной колонны) без учета образования за­стойных зон (см. табл. 8.4); С2 = 0,02-5-0,04 и С6 = 0,2 - при кон­такте тампонажного раствора с буровым, а при контакте тампо­нажного раствора с водой С2 = 0,01-5-0,02 и С6 = 0,03. Объемы первой и второй порций буферной жидкости (воды), исходя из условия исключения смешивания (полного разделе­ния тампонажного и бурового растворов), можно рассчитать по формулам: для первой порции ^=С4П + С5ЯМ5С;                                                               (8.9) для второй порции У2=С4УП,                                                                           (8.10) где С4 и С5 - коэффициенты потери буферной жидкости в ре­зультате ее адгезии соответственно к стенкам заливочных труб и в кольцевом пространстве (см. табл. 8.4).
	8.5. УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ СРЕЗКИ ШТИФТОВ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫХ ПРОБОК Успешность операции по установке цементного моста возрас­тает при использовании разделительных пробок. Однако анализ промысловых материалов свидетельствует о том, что в 35—45 % случаев момент срезки штифтов подвесной разделительной пробки на поверхности не фиксируется. В результате выпол­ненных исследований было установлено, что для фиксирования 553

	момента срезки штифтов, рассчитанных на перепад давления 3—4 МПа, необходимо получить гидравлический удар опреде­ленной интенсивности. Такой гидравлический удар может быть получен при опре­деленной подаче насоса цементировочного агрегата (ЦА) в зави­симости от диаметров колонны заливочных труб и скважины (табл. 8.5). Для получения отчетливого сигнала (в виде повышения дав­ления) при срезке штифтов необходимо после закачивания 90 % расчетного объема продавочнойжидкости снизить подачу ЦА в соответствии с данными табл. 8.5, а затем (после фиксации момента "стоп") увеличить ее исходя из условий наиболее пол­ного вытеснения бурового раствора цементным. При этом ско­рость потока жидкости в кольцевом пространстве должна быть в пределах 0,4—0,6 м/с либо превышать 1 м/с. Выбранная ско­рость потока должна быть выдержана в течение всего процесса продавливания цементного раствора. Рассмотрим процесс разрушения застойных зон бурового раствора. При отсутствии достаточно точного центрирования колонны заливочных труб в кольцевом пространстве скважины образу­ются застойные (защемленные) зоны тиксотропной жидкости (бурового раствора). В результате наличия невытесненного бу­рового раствора качество цементного моста резко снижается. Точно центрировать колонну заливочных труб в скважине весь­ма сложно. Решить проблему ликвидации застойных зон удалось за счет установки на колонне заливочных труб (в интервале установки цементного моста) эксцентриков. В этом случае при вращении колонна заливочных труб, меняя положение, способствует движению потока по всему сечению. Таблица 8.5 Допустимая производительность насоса при срезке штифтов
	Диаметр, мм Допустимая произ- Диаметр, мм Допустимая произ- водительность ЦА, водительность ЦА, колон- л/с, при давлении колон- л/с, при давлении ны зали- срезания штифтов ны зали- сква- срезания штифтов вочных 3—4 МПа и плотности вочных жины 3—4 МПа и плотности труб бурового раствора, труб бурового раствора, кг/м3 кг/м3 1000 1600 2200 1000 1600 2200 60 94 2,9 2,3 2,0 114 190 7,9 6,3 5,5 126 3,5 2,8 2,4 269 9,4 7,6 6,6 73 126 4,8 3,9 3,4 140 214 9,0 7,2 6,2 146 5,0 4,1 3,5 320 11,5 9,2 8,0
	554

		Рис. 8.1. Эксцентрик для поперечного расхаживания колонны заливочных труб: 1 - корпус; 2 - ребра
		На рис. 8.1 представлена схема эксцент­рика типа ЭБ. В табл. 8.6 приведена техни­ческая характеристика таких эксцентриков для скважин диаметрами 214, 243, 269 и 295 мм. Для осуществления расхаживания и вращения колонны заливочных труб диаме­трами 114-168 мм разработана цементиро­вочная головка ГЦУ-ЗН-197-300, позволя­
	А-А	ющая производить операции по цементиро-
	ванию обсадных колонн с двумя раздели-
		тельными пробками, а также по установке цементных мостов. Головка располагалась между ведущей трубой и вертлюгом. При установке цементных мостов с ис­пользованием эксцентриков (два-три экс­
	центрика находились на расстоянии 40— 50 м друг против друга) производили осевое расхаживание заливочной колонны на длину 10—14 м с ее вра­щением при ходе вниз с частотой 0,3—1,0 с"1. Промысловое исследование эксцентриков показало их высо­кую эффективность. Таблица 8.6 Техническая характеристика эксцентриков
	Шифр Число ребер Диа­метр экс­цент­рика, мм Масса, кг Экс-цент-риси-тет, мм Шифр эксцент­рика Число ребер Диа­метр экс­цент­рика, мм Масса, кг Экс-цент-риси-тет, мм ЭБ-3-178-214 ЭБ-5-178-243 3 5 204 233 108 111 26 55 ЭБ-5-178-269 ЭБ-5-178-295 ел ел 259 285 119 123 81 107
	Примечание. Диаметр корпуса 178м, высота 750мм.
	555

	8.6. ТЕХНИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ В работах отечественных и зарубежных ученых доказано, что при прочих равных условиях полнота вытеснения бурового раствора цементным зависит в первую очередь от режимов те­чения растворов, величины и различия их реологических пара­метров. На степень вытеснения и смешения растворов значи­тельное влияние могут оказывать и другие факторы: каверноз-ность и загрязненность ствола, величина кольцевого зазора и эксцентричность положения труб в скважине, наличие или от­сутствие разделительной буферной жидкости, время контакта цементного раствора и буферной жидкости с трубами и породой и другие факторы. Вследствие сложности явлений, происходящих при вытес­нении, и невозможности теоретического решения вопроса ве­дется большая исследовательская работа. При этом многие спе­циалисты, не имея приборов для определения реологических свойств растворов и не зная фактического режима течения, по­лучаемые результаты ставили в зависимость от скорости дви­жения жидкостей в скважине или модели. При изучении выноса разбуренной породы потоком бурового раствора обнаружено, что при средней объемной скорости 0,15 м/с поток может занимать 1/4 даже 1/5 часть всего сече­ния. При увеличении средней скорости эта неравномерность сглаживается. В результате было установлено следующее: 1)  с увеличением скорости восходящего потока улучшается процесс вытеснения бурового раствора цементным; 2)  наличие в кавернозной части загустевших масс бурового раствора резко уменьшает полноту вытеснения; 3) во всех случаях на стенках скважин остается плотная гли­нистая прослойка, делающая невозможным непосредственный контакт цементного раствора с породой. Т.Е. Еременко, Д.Ю. Мочернюк и Н.Г. Гелетий считают, что при цементировании скважин достаточно ограничиться лами­нарным (Re = 7OO-5-12OO) потоком, при котором коэффициент вытеснения составляет 80—90 %, а толщина отстающего погра­ничного слоя бурового раствора значительно меньше, чем при переходном (Re = 1300-5-2300) режиме от ламинарного к турбу­лентному. Рекомендуемые ими скорости находятся в пределах 0,75-1,5 м/с. Практически турбулизация потока жидкости может быть достигнута при указанных скоростях, если предварительно растворы подвергнуть специальной обработке. Отрицательные последствия неудовлетворительного заме- 556

	щения бурового раствора цементным объясняются еще и тем, что в месте контакта часто образуются очень вязкие, трудно прокачиваемые пробки, которые являются одной из основных причин значительного повышения давления, приводящего не­редко к остановке цементирования и другим авариям. Объемы зон смешения, по наблюдениям, при цементирова­нии некоторых скважин составляли 33—75 % объема закачива­емого в скважину тампонажного раствора, что соответствовало вытеснению из заколонного пространства только 40—60 % буро­вого раствора. Применение буферной жидкости и увеличение скорости на­ряду с другими мероприятиями позволяют предотвратить сме­шение и обеспечить более полное заполнение затрубного прост­ранства цементным раствором.
	8.7. ВЛИЯНИЕ ПОГЛОЩЕНИЯ РАСТВОРА, ВОДООТДАЧИ И ВОДООТСТОЯ Наличие в скважине поглощений вызывает дополнительные трудности при установках мостов. Седиментационные процессы, протекающие в цементном растворе до возникновения в нем прочной структуры во время образования коллоидных растворов, очевидно, не играют суще­ственной роли, так как к концу периода доставки тампонажного раствора к месту назначения последний успевает тщательно перемешаться, прогреться и приобрести соответствующие структурно-механические свойства, обеспечивающие удержа­ние твердых частиц во взвешенном состоянии. Влияние водоотдачи и водоотстоя при установках мостов, по-видимому, сказывается в значительно меньшей степени, чем при цементировании колонн, требующем большого расхода ма­териалов и обеспечения гарантийного подъема тампонажного раствора на большую высоту. Однако не учитывать эти факторы нельзя. В обсаженной скважине возможны следующие варианты, при которых уменьшается первоначальная высота моста. 1.  Цементный раствор закачан в интервал перфорации. Под действием перепада давления происходит отфильтровывание части свободной воды в проницаемые горизонты, против кото­рых образуется плотная корка из обезвоженного цементного раствора. Сокращение объема воды в растворе является причи­ной уменьшения высоты моста. 2. Цементный раствор закачан выше интервала перфорации. 557

	Поглощений в скважине нет. В этом случае осаждение границы кровли моста произойдет в результате водоотстоя, протекающе­го почти во всех цементных растворах. В качестве эффективного мероприятия по борьбе с указанными явлениями рекомендует­ся снижение водоотдачи и повышение стабильности используе­мых тампонажных растворов. В последние годы этому вопросу было посвящено много работ отечественных и зарубежных ис­следователей. В работах отмечалось, что в результате водоотда­чи в окружающие породы цементный раствор обезвоживается, теряет подвижность, быстрее схватывается, вследствие чего наблюдалось много случаев оставления большого количества цементного раствора в трубах. Одновременно это является при­чиной и общего резкого снижения качества цементирования скважин из-за необходимости постоянного уменьшения скоро­сти продавливания растворов в период непрерывного роста дав­лений. Поэтому широко применяются цементные растворы с пониженной водоотдачей. Для снижения водоотдачи растворов широко используют бентонитовую глину, КМЦ и гипан. Кроме того, гипан в комби­нации с хромпиком является очень хорошим замедлителем.
	8.8. СУБЪЕКТИВНЫЕ ФАКТОРЫ На качество цементирования скважин оказывают влияние и субъективные факторы, целиком зависящие от исполнителей. В тех случаях, когда в процессе работ допускаются грубые ошиб­ки и просчеты, происходят аварии и осложнения, нередко за­канчивающиеся ликвидацией скважин. Частыми ошибками являются неточности, допускаемые при подсчете необходимого количества продавочной жидкости. Ос­новная причина — незнание фактического коэффициента сжатия бурового раствора и неумение его определить при необходимос­ти. Методы разбавления позволяют быстро и достаточно точно определять коэффициент сжатия продавочного раствора непо­средственно перед цементированием скважины. Влияние ука­занного фактора особенно заметно там, где для установки моста затворяется малое количество цементного раствора, который в лучшем случае только частично поступает в затрубное прост­ранство, так как количество продавочной жидкости, как прави­ло, оказывается меньше необходимого. Поэтому значительная часть тампонажного раствора во время срезки оказывается вы­мытой на поверхность, а это приводит к тому, что цементного моста или вовсе не оказывается, или он имеет малую высоту. 558

	В некоторых случаях при использовании многокомпонент­ных смесей допускаются ошибки при определении необходимо­го количества тампонажных материалов и объема затворяемого раствора. В этом случае рекомендуется пользоваться методикой для определения массового содержания компонентов в тампо­нажных смесях различного состава и плотности. Нередко по вине обслуживающего персонала цементировоч­ных агрегатов допускаются перекачки или недокачки бурового раствора, приводящие иногда даже к прихвату заливочных труб. Случаи неудачных установок мостов из-за выхода из строя заливочных агрегатов или подъемного бурового оборудования довольно редки. Большое значение имеют правильные подбор и дозировка ре­агентов-замедлителей. Известно, что рецептура раствора, подо­бранная в лаборатории, должна строго выдерживаться при це­ментировании скважин, особенно глубоких высокотемператур­ных. При установке мостов допускаются и другие ошибки: непра­вильное определение длины заливочного инструмента, засо­ренность инструмента цементным раствором, оставшимся по­сле предыдущего цементирования, и т.д. Отрицательное влияние этой группы факторов легко устра­няется при правильном и точном ведении работ. Поэтому изуче­ние накопленного опыта позволит ликвидировать все еще допу­скаемые иногда отдельными работниками промахи и ошибки.
	8.9. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СМЕШЕНИЯ ПРОМЫВОЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ И ТАМПОНАЖНЫХ РАСТВОРОВ ПРИ УСТАНОВКЕ МОСТОВ И ЦЕМЕНТИРОВАНИИ СКВАЖИН
	Важным фактором, влияющим на успешность установки мостов и цементирования скважин, является смешение бурово­го раствора с тампонажным, в результате чего образуется иная жидкость с отличными реологическими свойствами. Поскольку в большинстве случаев буровые и цементные растворы обраба­тываются химическими реагентами, смешение их сопровожда­ется, как правило, образованием труднопрокачиваемых пробок, являющихся одной из основных причин значительного повы­шения давления. Смешение растворов зависит от их реологиче­ских параметров, режима движения, конструкции и глубины 559

	скважины, конфигурации ствола, разницы плотностей и т.д. По данным анализа термограмм, цементограмм и результатов гам­ма-каротажа цементный и буровой растворы могут смешивать­ся на очень больших участках. С целью определения влияния смешения растворов при ус­тановке мостов были проведены лабораторные и промысловые исследования. На первом этапе изучалось изменение растекае-мости смеси в зависимости от объемного соотношения в ней бу­рового, шлакового и цементного растворов. Были использованы: макеевский шлак заводского помола, цемент тампонажный для "горячих" скважин и буровой раствор, обработанный УЩР и характеризовавшийся следующими параметрами: плотность — 1,30 г/см8, вязкость по СПВ-5 - 93 с, СНС1/10 = 2,7/6,9 Па, рН = 9,0. Значения водошлакового и водоцементного отношения растворов составляли 0,5. Исследования показали, что образование зон смешения при закачке в скважину цементного раствора более опасно, чем при закачке шлакового раствора. Подтверждением этого является изменение подвижности смесей (рис. 8.2), из которого следует, что растекаемость бурового раствора после введения в него 5-10 % цементного раствора уменьшается с 18 до 8-6 см. В дальнейшем заметное увеличение подвижности смеси наблюда­ется лишь после доведения количества цементного раствора в нем до 80 %. Для шлаковых растворов характерна другая закономер-
	0           20           40          60          80         100 Содержание глинистого раствора е смеси, % Рис. 8.2. Изменение растекаемости смесей тампонажного и бурового раство­ра различных составов: 1 - шлаковый и буровой растворы; 2 - то же, 0,4 % ССБ; 0,2 % хромпика и буровой раствор; 3 — портландцементный и буровой растворы; 4 — то же, 0,3 % ССБ, 0,1 % хромпика и буровой раствор 560

	ность: они сильно сгущаются при попадании в них небольших количеств бурового раствора, но во всех случаях темп и абсо­лютная величина их загустевания значительно меньше, чем у смесей с цементным раствором. На подвижность смесей заметное влияние оказывают замед­лители сроков схватывания. Использование тампонажных рас­творов, особенно шлаковых, содержащих ССБ и хромпик, по­вышает интенсивность загустевания смесей, что происходит за счет дополнительных реакций между замедлителями и реаген­тами, содержащимися в цементном и буровом растворах. С целью изучения влияния смешения цементного и бурового растворов были проведены опыты на капиллярном вискозимет­ре, результаты которых приведены в табл. 8.7. Путем исследований с использованием тампонажного цемен­та и бурового раствора, обработанного УЩР, было установлено, что буровой раствор с примесью небольших количеств цемент­ного раствора подвергается наиболее интенсивному загустева-нию. Например, при добавках к исходному буровому раствору, имевших структурную вязкость 35,6 мПа-с, 10 % цементного раствора, произошло увеличение вязкости до 156,6 мПа-с, а смесь, содержавшая 80 % бурового и 20 % цементного раство­ров, настолько загустела, что перепад давления, равный 66,6 кПа, был недостаточен для продавливания смеси через капилляр. В данном случае проявляется несовместимость смешения бурового и цементного растворов, из которых последний, если он не отделен разделительной жидкостью, вызывает коагуля­цию бурового раствора с образованием пастообразной пробки. Таблица 8.7 Структурная вязкость смесей
	Состав смеси (по объему), % Плот- Растекае-мость по Время истече- Скорость истече- Струк­турная Цемент- Буровой раствор ность, конусу ния 80 мл ния, вязкость, ный раст­вор г/см3 АзНИИ, см смеси, с см/с мПа-с 100 _ 1,83 22 4,1 127 35,6 90 10 1,78 20 5,1 102 44,4 80 20 1,72 18 8,2 63,5 71,3 70 30 1,65 16 23 18,6 _ 60 40 1,58 13 67 7,8 _ 50 50 1,52 10 Не течет 0 _ 40 60 1,46 8 0 _ 30 70 1,42 8 " 0 _ 20 80 1,37 8 " 0 _ 10 90 1,30 10 180 2,9 156,60 - 100 1,24 25 461 127 35,6
	561

	Исследования, проведенные в промышленных условиях Ку­бани и Ставрополья, показали, что длина такой пробки в за-трубном пространстве при определенных условиях может ока­заться достаточной для возникновения различного рода ослож­нений. Применение буферной жидкости позволяет резко уменьшить число осложнений, повысить качество установки мостов и цементирования скважин.
	8.10. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К МАТЕРИАЛАМ И ПРОЦЕССАМ ПРИ УСТАНОВКЕ МОСТОВ Требования к физико-механическим свойствам тампонажно-го камня определяют в соответствии с назначением устанавли­ваемых мостов, которые в одних случаях должны быть непро­ницаемы (при опробовании), в других - обладать жесткостью (при забуривании нового ствола), в некоторых случаях — иметь повышенное сопротивление сдвигу (при распакеровке пакеров, имеющихся на испытателе пластов), а в некоторых — отвечать комплексу требований. Прочность и проницаемость мостов. Цементные мосты, ус­танавливаемые в скважинах, часто испытывают воздействие больших депрессий. Если при этом высота моста не более не­скольких метров, а собственно цементный камень недостаточно прочный и высокопроницаемый, что обусловлено неправиль­ным выбором материалов (применительно к конкретным темпе­ратурным условиям) или смешением тампонажного раствора с буровым, то такой мост оказывается негерметичным и может быть разрушен. Прочность и несущая способность мостов. Мосты, устанав­ливаемые в необсаженной части скважин, часто не пригодны для забуривания нового ствола, так как сопротивляемость це­ментного камня разрушению оказывается ниже сопротивляе­мости окружающих горных пород. Это же вытекает из общего закона искривления ствола скважины при бурении. B.C. Федоровым установлено, что изменение зенитного угла оси скважины выражается в виде разности Да = Дак-Дав,                                                                   (8.11) где Аак и Аав — соответственно искривление и выпрямление ствола скважины. 562

	Выражение (8.11) может быть переписано как Aa = A^-^cosasmp - В-----------,                                      (8.12) EI                              va гдеАиВ- коэффициенты пропорциональности; Рд - осевая на­грузка на долото; £>д - диаметр долота; a - твердость горной по­роды; v — механическая скорость проходки; р — угол падения пластов; е — число лопастей или шарошек долота; h — высота бо­ковой кромки долота; п — частота вращения долота; EI — жест­кость направляющего участка бурильной колонны; Q — вес на­правляющего участка колонны. Из формул (8.11) и (8.12) видно, что интенсивность падения, кривизны Аав обратно пропорциональна твердости породы. Следовательно, в общем случае темп изменения зенитного угла при забуривании второго ствола будет тем выше, чем больше прочность цементного камня. Действительная прочность камня, образуемого в скважинах при использовании современных тампонажных материалов, через 2 сут при изгибе не превышает 24,0-30,0 МПа, тогда как предел прочности на одноосное сжатие у песчаников, взятых с глубины 3000 м, составляет 34,0-57,0 МПа, а у известняков -125,0—138,0 МПа. В связи с этим выдвигаются задачи изыска­ния новых тампонажных материалов, гарантирующих получе­ние высокопрочного камня, и совершенствования технологиче­ских приемов забуривания второго ствола. Когда цементный мост как инженерное сооружение испы­тывает действие очень больших вертикальных нагрузок, он должен обладать высокой несущей способностью, которая зави­сит от прочности цементного камня и характера его контакта с горными породами или с трубами. Наибольшее сопротивление цементного моста сдвигу возможно в тех случаях, когда между соприкасающимися материалами возникает физико-хими­ческое сцепление, обусловленное созданием промежуточного кристаллического слоя. Поскольку даже при турбулентном потоке между цемент­ным камнем и горной породой или трубой всегда остается слой невытесненного глинистого раствора толщиной 0,3—2,00 мм, физико-химическое сцепление между ними отсутствует, а не­сущая способность моста обусловливается силами трения. На­личие слоя глинистого раствора наиболее сильно сказывается при установке мостов в обсадной колонне и последующем опро­бовании их испытателем пластов. В этом случае, как показыва­ют промысловые наблюдения, ввиду больших ударных гидрав- 563

	лических нагрузок при распакеровке мост не обладает несущей способностью даже при наличии в скважине цементного стакана высотой 100-150 м. Экспериментальные исследования позволили уяснить неко­торые моменты, влияющие на качество установки мостов в скважинах. При установлении несущей способности моста рас­пределение напряжений по длине моста было принято прямо­линейным, поэтому силу сопротивления моста сдвигу т находи­ли из выражения x = Q/(ndl),                                                                      (8.13) где Q — нагрузка; dul — соответственно диаметр и высота моста. Водо- и газопроницаемость определяли при отсутствии про­тиводавления на выходе образца; на входе его в зависимости от степени проницаемости моста создавалось давление в пределах 0,1—1,5 МПа. После определения водопроницаемости цемент­ный мост "продували" воздухом в течение 1—2 ч при давлении 0,5-1,5 МПа и находили газопроницаемость. Исследование цементных и цементно-песчаных мостов пока­зывают следующее. 1.  Проницаемость цементно-песчаных мостов, твердевших в водной или воздушной среде при температуре 75 и 100 °С, низка и не превышает 0,13-Ю"15 м2. С ростом температуры проницае­мость мостов резко увеличивается, достигая при 140 °С через 2сут18,9-10"15м2. Проницаемость цементных мостов с ростом температуры уменьшается и при 140 °С равна нулю. Во всех случаях прони­цаемость мостов незначительно отличается от проницаемости образцов-балочек, определенной на аппарате ГК-5. 2.  При наличии на стенках труб слоя глинистого раствора и твердения образцов в воздушной среде проницаемость мостов резко возрастала. Так, когда образец твердел в воздушной среде лишь первые 6 ч, проницаемость увеличилась от нуля до 61,5-Ю"15 м2. В тех случаях, когда мост полностью формировал­ся в воздушной среде и вода, отсасываемая из глинистого рас­твора, ничем не восполнялась, наблюдалось интенсивное уве­личением проницаемости. При повышении температуры в связи с ускорением процессов гидратации эффект контракции цемен­та проявлялся более интенсивно, а последствия ее были тем сильнее, чем толще глинистый слой. 3. Исследования несущей способности мостов, сформирован­ных при температуре 75, 100 и 140 °С при отсутствии глинисто­го слоя, показали, что характер изменения сил сцепления тс и сил трения тт подчиняется тем же закономерностям, что и в 564

	опытах при температуре 22 °С. Значения сил определяются фи­зико-механическими свойствами цементного камня, шерохова­тостью, разностенностью и овальностью труб, что хорошо под­тверждается результатами опытов. Анализ полученных данных позволяет установить общую закономерность существования симбатной связи между проч­ностью цементного камня и несущей способностью мостов. Ха­рактерно при этом, что во всех случаях с уменьшением прочно­сти цементного камня снижается несущая способность мостов. Несущая способность цементно-песчаных мостов возрастает во всем диапазоне увеличения температур. При этом прочность цементно-песчаного камня и его сцепления с металлом при тем­пературе 140 °С очень велика. 4. Если поверхность труб была покрыта слоем глинистого раствора, то силы сцепления падали до нуля, а сопротивление моста сдвигу целиком определялось силами трения. Несущая способность моста резко уменьшается с увеличением толщины глинистого слоя. Во всех случаях при наличии слоя толщиной 0,5-1,0 мм величина тт не превышала 0,12-0,15 МПа, увели­чение толщины пристеночного слоя до 0,5—2,0 мм приводит к уменьшению тт до 0,04—0,07 МПа. Эти же мосты при отсутствии слоя глинистого раствора на поверхности труб имели несущую способность в пределах 2,24-3,17 МПа. Ввиду того, что при установке мостов в скважинах высота подъема цементного раствора значительна, глинистый слой обезвоживается во всех случаях. Данное обстоятельство менее опасно в случае изоляции водоносных горизонтов, но может привести к очень серьезным последствиям при изоляции газо­носных пластов. С повышением температуры эффект контракции проявляет­ся более интенсивно, так как ускоряются процессы гидролиза и гидратации цемента. За меньший промежуток времени развива­ется больший вакуум и происходит более интенсивный отсос влаги в цементный раствор (камень). При установке мостов в необсаженных скважинах, естест­венно, обезвоживаются остатки не только глинистого раствора, но и глинистой корки. Чем больше объем цементного раствора (диаметр скважин), тем большее количество воды отсасывается из глинистых растворов, корки. Герметичность мостов резко снижается, и при изоляции газоносного объекта с высоким пла­стовым давлением они не выполняют своего назначения. Поскольку уже на глубине 2000-3000 м температура плас­тов достигает 70—120 °С, был изучен эффект обезвоживания глинистого раствора, находящегося на твердеющем цементном 565

	растворе. Через сутки твердения при температуре 75 °С (в авто­клаве) буровой раствор в герметически запаянной колбе превра­тился в потрескавшуюся массу, очень пористую, высокопрони­цаемую, способную практически при малом перепаде давления пропускать флюиды. Для уменьшения эффекта контракции при установке мостов необходимо применять различные наполнители, снижающие общее содержание цемента в одном и том же объеме раствора, а также использовать материалы, эффект контракции которых снижен: шлаки, белитокремнеземистый цемент и т.д. Проведенные исследования показали, что несущая способ­ность моста зависит от различных факторов: 1) условий формирования цементного камня, определяющих его прочность и проницаемость; 2) степени шероховатости внутренней поверхности труб; 3) овальности и прямолинейности труб; 4) чистоты поверхности, наличия или отсутствия на ней слоя глинистого раствора; 5) состава и качества применяемых материалов. Проведенные исследования также показали, что при выдав­ливании цементного моста нагрузка вначале достигает макси­мума (рис. 8.3), затем падает и стабилизируется на некоторой
	ft
	Рис. 8.3. Изменение силы сопротивления сдвигу моста: а — поверхность трубы чистая; б — поверхность трубы покрыта тонким слоем бурового раствора, труба имеет повышенную шероховатость и овальность
	566

	величине. Это позволяет вычислить силу сцепления металла с цементным камнем: тс = т-тт,                                                                          (8.14) где т - общее сопротивление моста сдвигу, определяемое по формуле (8.13). Выражение (8.14) можно переписать также в виде тс= — -^-,                                                                     (8.15) ndl ndl где Q — стабилизированная (установившаяся) нагрузка при вы­давливании моста. Величина сил тт трения неискривленных труб определяется прочностью цементного камня, а также шероховатостью, раз-ностенностью и овальностью труб. Из этих факторов примени­тельно к установке мостов первостепенное значение имеют прочность камня и овальность труб, изменяющаяся по их длине и способствующая увеличению несущей способности моста. Для оценки влияния муфт обсадных труб на несущую спо­собность моста предположили, что при малой высоте моста муфта способствует значительному увеличению его сопротив­ления сдвигу. Считая, что сила сцепления цементного камня с металлом составляет 0,51 МПа, силу сопротивления сдвигу можно определить из выражения Qc'= (L - l)ndxc,                                                                      (8.16) где L - общая высота моста, L = 24,2 см; I - расстояние между торцами труб в муфте, I = 3 см; Qc' = (24,2 - 3) • 3,14 • 6,2 х хО,51 = 21кН. Шлаковые цементы — незаменимый материал при установке мостов в высокотемпературных скважинах, где применение даже цементно-песчаных смесей практически исключено из-за невозможности подбора рецептуры растворов по срокам схва­тывания. На основании имеющихся данных представляется возмож­ность сформулировать применительно к установке цементных мостов в глубоких скважинах следующие рекомендации. 1.  Качество мостов, устанавливаемых в скважинах, зависит от многих одновременно действующих природных, техничес­ких и субъективных факторов. Знание и правильный учет этих факторов — основа получения герметичных и прочных цемент­ных мостов в глубоких высокотемпературных скважинах. 2. Высокие температуры и давления — одна из причин резко­го ухудшения реологических свойств тампонажных портланд- 567

	цементных растворов задолго до наступления начала их схва­тывания. В связи с этим необходимо определять реологические свойства растворов и их загустеваемость с помощью капилляр­ного вискозиметра или консистометра. 3.  Реологические свойства растворов улучшают с помощью добавок ССБ, благодаря которым структурная вязкость и пре­дельное динамическое напряжение сдвига растворов снижают­ся в 3 раза и более. Наиболее эффективно ССБ разжижает рас­творы в начальный период их затворения и при низких темпе­ратурах. При высоких температурах действие ССБ непродол­жительно. В подобных случаях ее нужно использовать совмест­но с другими реагентами. 4.  При высоких температурах для обработки тампонажных растворов рекомендуется применять новые комбинированные замедлители, состоящие из смеси ССБ и хромпика, КМЦ и хромпика, гипана и хромпика. Их широко используют при це­ментировании глубоких скважин. Реагенты экономичны, так как при малых добавках эффективно замедляют схватывание и улучшают структурно-механические свойства тампонажных растворов. 5.  Применение хлористого натрия позволяет получать ста­бильные по свойствам цементные и цементно-песчаные раство­ры, что очень важно для предотвращения роста давления в пе­риод установки мостов и цементировании скважин. 6.  Оптимальные добавки соли, при которых наблюдается значительное улучшение реологических свойств растворов и физико-механических свойств камня, составляют 5,0—7,5 % от массы цемента. 7. Область применения солесодержащих растворов на основе портландцемента можно расширить путем обработки их комби­нированными замедлителями схватывания. При высоких тем­пературах можно также использовать солесодержащие раство­ры на основе шлака. 8.  Большую опасность при установке мостов представляет смешение глинистого раствора с тампонажным, которое приво­дит к образованию высоковязких нетекучих смесей, резкому повышению давления и оставлению цементного раствора в тру­бах ввиду невозможности восстановления обратной циркуляции для "срезки" кровли установленного моста. 9.  Введение 5—10 % цементного раствора в глинистый при­водит к сильной коагуляции последнего с образованием непро-качиваемой пробки, поэтому практически цементирование скважин должно осуществляться без соприкосновения указан­ных жидкостей между собой. 568

	10.  Цементный раствор, как без добавок, так и с добавками замедлителей приводит к коагуляции глинистый раствор в большей степени, чем шлаковый. 11.   При отсутствии разделительной буферной жидкости между цементным и глинистым растворами в кольцевом прост­ранстве и трубах образуются зоны смешения протяженностью 200-400 м и более. 12.  На интенсивность образования зоны смешения большое влияние оказывает состояние внутренней поверхности труб. Объем зоны смешения значительно возрастает, если в качестве заливочного инструмента используют бурильные трубы. При этом потери тампонажного раствора из-за смешения на 1000 м пути при использовании 114—141 мм труб достигают 0,6— 0,8 м8, а в некоторых случаях и более. 13. Для предотвращения смешения тампонажного и глинис­того растворов необходимо применять разделительные жидкос­ти, которые при этом не должны загущать соприкасающиеся с ними растворы. 14.  Применение в качестве разделительной жидкости воды позволяет уменьшить потери цементного раствора на 1000 м пути до 0,15—0,25 м8. При использовании насосно-компресор-ных труб потери не превышают 0,10—0,15 м8. 15.  Высота столба буферных жидкостей в кольцевом прост­ранстве и трубах должна составлять не менее 150 м. При уста­новке моста в кавернозной части ствола объем первой порции буферной жидкости должен быть увеличен до предела, допус­каемого геолого-техническими условиями в данной скважине. 16. Для сокращения потерь тампонажного раствора в трубах целесообразно между первой порцией буферной жидкости и тампонажным раствором устанавливать самоуплотняющуюся разделительную резиновую пробку. 17.  При установке мостов следует добиваться турбулизации потока цементного раствора в период его движения в кольцевом пространстве, так как при этом вытесняется до 95 % глинисто­го раствора. Для выполнения указанного условия необходимо строго соблюдать режим продавливания, чтобы незадолго до начала поступления тампонажного раствора в затрубное прост­ранство одновременно работали с максимальной производи­тельностью все установленные цементировочные агрегаты. 18.  Необходимую скорость подъема растворов нужно опре­делять в соответствии с реологическими свойствами предназна­ченных для использования тампонажных растворов. Для сни­жения требуемых скоростей движения до 1—2 м/с тампонаж -ные растворы во всех случаях необходимо обрабатывать реаген- 569

	тами-понизителями вязкости (типа ССБ и др.), оптимальные добавки которых подбирают в лаборатории. 19.  Степень вытеснения глинистого раствора из кольцевого пространства значительно увеличивается, если одновременно применять буферную жидкость и расхаживать заливочные тру­бы. Характерно, что в тех скважинах, которые цементировали растворами, не обработанными понизителями вязкости, и в ко­торых скорость подъема составляла менее 1 м/с, коэффициент вытеснения не превышал 60 %. Использование в качестве бу­ферной жидкости только воды повышает в этих условиях сте­пень вытеснения до 75 %, а при сочетании этого с расхажива-нием колонны, коэффициент вытеснения возрастает до 90 % и более. 20. Для установки мостов при температуре до 100 °С ре­комендуется использовать портландцементные растворы. Уве­личение температуры до 140 °С резко ухудшает физико-механические свойства камня и снижает несущую способность моста. 21.  При температуре 100—140 °С и более необходимо приме­нять (если возможно подобрать рецептуру по срокам схва­тывания) цементно-песчаные растворы с соотношением це­ментирующего материала и наполнителя 4:1, 3:1 и 2:1. Кам­ни из этих растворов имеют проницаемость, близкую к нулю, и очень высокую силу сцепления с металлом. Мосты из этих смесей особенно целесообразно устанавливать при забурива-нии второго ствола или опробовании с помощью испытателя пластов. 22. При температуре 130 °С и более высокое качество мостов достигается при использовании шлакопесчаных растворов (соотношение 3:1, 2:1 и 3:2), из которых получается камень с низкой проницаемостью и достаточно высокой прочностью. 23. Сроки ОЗЦ при установке мостов определяют в соответст­вии с конкретными температурными условиями в скважине, физико-механическими свойствами получаемого камня и на­значением моста. Продолжительность периода ОЗЦ при уста­новке мостов находится в пределах 24—72 ч. Если мост предназ­начен для забуривания нового ствола или применения испыта­теля пластов, принимается максимальный срок ОЗЦ. 24.  При наличии на стенках труб слоя глинистого раствора сцепление цементного камня с металлом равно нулю, а несущая способность моста определяется главным образом прямолиней­ностью и овальностью труб. Увеличение толщины глинистого слоя резко снижает сопротивление моста сдвигу. Для получе­ния прочных мостов рекомендуется проводить технологические 570

	мероприятия с целью удаления глинистого раствора с поверх­ности труб в процессе установки моста. 25.  Слой глинистого раствора на стенках труб увеличивает проницаемость моста за счет обезвоживания этого слоя под дей­ствием контракции цементного камня. Для снижения эффекта контракции рекомендуется применять различные наполните­ли, уменьшающие общее содержание цемента в растворе, а также использовать материалы, эффект контракции которых понижен (шлаки, белитокремнеземистый цемент и т.д.). 26.  Муфтовые соединения способствуют увеличению несу­щей способности моста. 27.  Эксцентричное положение заливочного инструмента в скважине уменьшает степень вытеснения глинистого раствора цементным раствором и несущую способность моста. Влияние этого фактора особенно заметно, если используют растворы с неудовлетворительными реологическими свойствами и малой разностью плотностей. В связи с этим перед установкой мостов необходимо добиваться максимального улучшения структурно-механических свойств буровых растворов. 28. Цементные мосты, устанавливаемые в кавернозной части ствола, как правило, бывают плохого качества. Это отчетливо обнаруживается при забуривании вторых стволов, когда из-за недостаточной прочности и немонолитности камня мосты легко разрушаются. 29.  Созданию надежных мостов в кавернозной части ствола способствует проведение комплекса технологических меропри­ятий, связанных с кавернометрированием скважины, прора­боткой ее ствола в интервале установки моста со скоростью не более 30 м/ч при одновременном гидромониторном размыве за­густевших масс глинистого раствора в кавернах, закачкой зна­чительных объемов буферной жидкости — воды, использовани­ем завышенных количеств тампонажных материалов, в 1,5—2,0 раза превышающих расчетные, и др. 30.  Проверка качества мостов давлением жидкости малоэф­фективна. Для определения герметичности и несущей способ­ности мостов следует либо применять испытатели пластов, либо снижать уровень жидкости в скважине путем аэрации.
	8.11. ПЛАНИРОВАНИЕ РАБОТ ПО УСТАНОВКЕ ЦЕМЕНТНЫХ МОСТОВ При планировании работ по установке цементных мостов предусматривается ряд этапов. 571

	1.  Определение условий эксплуатации моста, действующих на него нагрузок и геолого-технических условий его установки, а также статической и динамической температур в скважине, диаметра каверн, вязкости и статического напряжения бурово­го раствора, гидравлических сопротивлений, наличия погло­щений или проявлений. 2.  Расчет высоты моста в соответствии с действующими на него нагрузками, ограничениями по высоте и технологически­ми особенностями его установки. Расчет производится по фор­мулам (8.1) — (8.3) в соответствии с данными табл. 8.8. 3.  Определение объемов цементного раствора, продавочной жидкости, первой и второй порций буферной жидкости — воды (вторая порция входит в общий объем продавочной жидкости) и высоты подъема цементного раствора (с учетом зоны смешения) в кольцевом пространстве соответственно по формулам (8.7), (8.5), (8.9), (8.10) и (8.8). При использовании верхней раздели­тельной пробки коэффициенты С, и С3 в указанных формулах принимаются равными нулю. 4. Расчет параметров режима продавливания цементного
	Таблица 8.8 Мероприятия по предупреждению осложнений
	Осложне- ния при Наиболее характерные Мероприятия по предупреждению установке причины осложнений осложнений мостов Повышение Недостаточное содер- Жесткий контроль за содержанием давления и жание замедлителя реагентов в жидкости затворения и прихват за- схватывания или жид- процессом приготовления цемент- ливочной кости затворения — ного раствора по плотности и расхо- колонны воды ду компонентов, приготовление все- го объема раствора в осреднитель- ной емкости Образование затруд- Применение буферных жидкостей и няющих прокачива- разделительных пробок, проверка ние зон смешения ц е- смесей на загустевание ментного раствора с буровым Подъем цементного То же, а также применение центра- раствора на значи- торов, эксцентриков тельно большую высо- ту, чем проектная, вследствие смешения и образования застой- ных зон Загустевание цемент- Проверка рецептуры цементного ного раствора при ос- раствора по показаниям консисто- тановках циркуляции метра с учетом температуры и да в- ления
	572

	Продолжение табл. 8.8
	Осложне- ния при Наиболее характерные Мероприятия по предупреждению установке причины осложнений осложнений мостов Образование застой- Цементирование, расхаживание ных зон цементного колонны, применение легко разбу- раствора при вымыва- риваемых или отсоединяемых хвос- нии его избытка товиков Низкая Повышенное содержа- Жесткий контроль за приготовле- прочность ние замедлителя схва- нием цементного раствора или отсут- тывания или воды в ствие це- цементном растворе ментного Смешение цементного Учет потерь на смешение, компен- камня в раствора с находящей- сация неточности при продавлива- проектном ся с ним в контакте нии, применение буферной жидкос- интервале жидкостью и низкая ти, разделительных пробок и кон- установки точность его продав- тролирующих устройств, контроль- моста ливания ный замер внутреннего объема за- ливочной колонны Подсос пластовых Снижение вязкости и СНС бурового флюидов вследствие раствора, уменьшение зон смеше- поршневого эффекта ния, снижение скорости подъема труб, применение отсоединяемого хвостовика Наличие каверны или Определение объема цементного желобной выработки раствора с учетом фактического диаметра скважины, применение гидромониторного устройства или эксцентриков Недоста- Малая высота моста и Расчет высоты моста в соответст- точная не- недостаточное сцепле- вии с условиями его эксплуатации сущая спо- ние со стенками сква- и техническими средствами для собность и жины установки негерме- тичность моста Газопрони- Насыщение цементно- Предварительная установка над цаемость го камня пластовым местом поступления газа механи- моста газом вследствие конт- ческого пакера или закачка вые о- ракции ко-вязкой жидкости, введение в це- ментный раствор высоковязкой жидкости
	раствора в скважину в соответствии с величиной гидравличес­ких сопротивлений, эффективностью замещения бурового рас­твора цементным (ведется с учетом скорости потока в кольцевом пространстве и особенностей управления процессом срезки штифтов в случае применения соответствующих контролиру­ющих устройств). 5.  Определение общей продолжительности операции по ус­тановке моста и подбор рецептуры цементного раствора. 6. Разработка мероприятий по предупреждению осложнений в соответствии с табл. 8.8. 573

	Особенности данного расчета можно рассмотреть на примере установки в обсаженной скважине диаметром 220 мм на глуби­не 4500 м цементного моста, который выдерживал бы перепад давления 20 МПа. Цементный мост установлен через колонну бурильных труб диаметром 140x114 мм, внутренний объем ко­торого равен 45 м8. Расчетные данные в зависимости от техно­логических особенностей установки представлены в табл. 8.9. Эти данные показывают, что необходимый объем цементного раствора в зависимости от условий может значительно превы­сить объем скважины в интервале установки моста. С увеличе­нием глубины эта разность возрастает (в рассматриваемом при­мере даже в 7-20 раз). Необходимая высота в значительной мере зависит от техни­ческих средств используемых при его установке. Следователь­но, ее надо определять не только исходя из конкретных требо-
	Таблица 8.9 Расчетные данные при установке мостов
	Технологические особенности установки моста без буфер- С 6vd)6DHOII с буферной с буферной ной жид- ^хл хт тт хл ^ч г* ri^ *L х^ч жидкостью жидкостью, Показатели кости, скребков и но без скреб- тс ^\т» ^Ж V\ Q О ТТ А и скребка­ми, но без скребками, верхней раздели- КОВ И раоДс- ггтт ТРЛ ЬН ЫХ раздели- пробкой и тельных i'1'l X \*-tl XXJXX J_U.^V тт ¥4 /^ ^\ /^ Tf тельных устройством пробок прооок пробок "стоп" Высота моста, м, в со- ответствии с требова- ниями: герметичности 20 10 4 4 несущей способности 22 11 1 1 Принимаемая высота 22 11 1 1 моста, м Объем ствола скважи- 0,84 0,42 0,15 0,15 ны в интервале уста- новки моста, м 3 Необходимый объем 6,24 3,54 3,31 1,95 цементного раствора, м3 Общий объем прода- 42,10 43,50 43,50 45,00 вочной жидкости, м3 Объем порций буфер- ной жидкости (воды), ЛЯ3. м » первой _ 1,10 1,00 1,00 второй — 0,90 0,90 0,90 Интервал, который 4070-4500 4405-4500 4416-4500 4420-4500 займут цементный раствор и зона смеше- ния в кольцевом про- странстве, м
	574

	ваний к герметичности и несущей способности моста, но и с уче­том возможности проведения тех или иных технологических мероприятий. При этом может создаться такое положение, при котором установить цементный мост требуемой высоты невоз­можно (например, при недостаточном расстоянии между пре­дыдущим и последующим объектами испытания). В этих слу­чаях необходимо устанавливать мосты из полимерных тампо-нажных материалов и пакеры либо пересматривать план работы по скважине. Применение комплекса технических средств (моющие и аб­разивные буферные жидкости, скребки, разделительные проб­ки со средствами контроля за их движением и др.) всегда целе­сообразно, так как это повышает надежность установки моста, значительно сокращает расход тампонажного материала и за­траты времени на установку моста, а также резко уменьшает опасность прихвата колонны труб схватывающимся тампонаж -ным раствором. При наличии больших каверн для установки цементных мос­тов следует применять гидромониторные устройства с радиаль­ным расположением насадок при непрерывном расхаживании колонны труб или с применением эксцентриков. Предлагаемые технико-технологические мероприятия ус­пешно испытаны при установке цементных мостов более чем в 300 скважинах в различных регионах нашей страны. Анализ промысловых данных за три года по скважинам Краснодарского края показал, что практическое использование указанных мероприятий позволяет сократить затраты времени на установку одного цементного моста в скважинах глубиной до 2000 м на 1,9 сут, глубиной до 3000 м - на 4,3 сут, глубиной свыше 3000 м — на 7,5 сут.
	575