Если вы скопируете книгу или главу книги, Вы должны незамедлительно удалить ее сразу после ознакомления с содержанием. Копируя и сохраняя его Вы принимаете на себя всю ответственность, согласно действующему международному законодательству. Любое коммерческое и иное использование кроме предварительного ознакомления запрещено. Публикация данной книги не преследует никакой коммерческой выгоды, но документ способствуют быстрейшему профессиональному росту читателей и являются рекламой бумажных изданий таких документов. Все авторские права сохраняются за правообладателем. В случае претензий со стороны авторов книг/издательств обязуюсь убрать указанные книги

УСТАНОВКА ЦЕМЕНТНЫХ МОСТОВ
Установка цементных мостов — это ответственная технологическая операция, составляющая основу большинства видов ремонтно-изоляционных работ при бурении, закан-чивании и эксплуатации нефтяных и газовых скважин Она является отправной точкой при забуривании второго ствола скважины и т д Так как установка мостов — это технологическая операция с применением различных тампонажных материалов (что вносит элемент неопределенности), она сама может сопровождаться осложнениями, которые иногда приводят к авариям и ликвидации скважины
4.1. НАЗНАЧЕНИЕ ЦЕМЕНТНЫХ МОСТОВ И ТРЕБОВАНИЯ К НИМ
Цементные мосты устанавливают в целях:
— изоляции водонапорных и непродуктивных горизонтов; при испытании и ликвидации скважин,
— возвращения на вышерасположенный горизонт,
— изоляции зон поглощения или проявления,
— забуривания нового ствола,
— создания опоры для испытания пластов и секции обсадных труб,
— ликвидации каверн и желобных выработок
К цементным мостам предъявляются определенные требования по долговечности, герметичности, прочности, несущей способности, а также высоте и глубине нахождения Требования основываются на конкретных геолого-технических условиях и обусловлены назначением моста
Из приведенных в табл 4 1 данных видно, что на мосты могут создаваться давления до 85 МПа, осевые нагрузки до 210 т, а напряжения сдвига (при высоте моста 1м) — до 2,8 МПа
119
Такие значительные нагрузки на мост возникают и при опробовании скважин с помощью испытателя пластов. Так, осевая нагрузка на хвостовик испытателя пластов может достигать 100 т и более при высоте моста 1 м.
Это обусловливает напряжение сдвига до 1,5 МПа.
Таблица Допустимые депрессии и внутренние давления в обсадных колоннах
4 1
Параметры обсадной Нагрузки, действующие на мост при создании
колонны депрессии, равной внутреннего допускаемо-
диа- толщина марка допускаемому давлению го давления"
метр, стенок, стали на смятие*
мм мм деп- осевая напряже- внут- осевая напряже-
эессия, нагруз- ние сдви- реннее нагруз- ние
МПа ка, т га при давле- ка, т сдвига
высоте ние, при
моста МПа высоте
1 м, МПа моста
1 м, МПа
114 9,0 А 40,0 29 4,2 40,0 29 1,2
м 74,0 51 1,7 79,0 54 1,8
127 9,0 А 35,0 33 1,0 36,0 34 1,0
м 62,0 58 1,7 71,0 66 1,9
140 9,0 А 30,0 35 0,9 32,0 37 1,0
12,0 м 82,0 86 2,4 85,0 89 2,5
168 9,0 А 23,0 41 0,9 27,0 48 1,0
12,0 м 64,0 102 2,3 71,0 113 2,6
219 9,5 А 16,0 51 0,8 22,0 70 1,1
12,5 м 42,0 122 2,0 57,0 166 2,8
273 9,0 А 8,5 38 0,5 17,0 81 1,0
12,0 м 19,0 92 1,2 44,0 213 2,7
325 9,0 А 5,0 37 0,4 14,0 104 1,1
12,0 м 11,0 78 0,8 27,0 191 2,0
' Коэффициент запаса прочности на смятие 1,3
** Коэффициент запаса прочности на разрыв под воздействием внутреннего давления 1,5
Несущая способность цементных мостов в значительной мере зависит от их высоты, а также от наличия, состояния и толщины слоя глинистого раствора на колонне и фильтрационной корки на стенке скважин. Если удалена рыхлая часть глинистой корки, напряжение сдвига в начальный момент составляет 0,15—0,2 МПа. В этом случае даже при возникновении максимальных нагрузок достаточна высота моста 10—20 м. Наличие же на стенках колонны слоя глинистого раствора
120
толщиной 1 — 2 мм приводит к уменьшению напряжения сдвига до 0,01 — 0,02 МПа и увеличению необходимой высоты моста до 180 — 250 м. В связи с этим высоту моста Нм следует рассчитывать по формуле:
^' <4Л>
где QM — ожидаемая суммарная осевая нагрузка на мост;
Dc — диаметр скважины;
[тм] — удельная несущая способность моста, величина которой определяется как адгезионными свойствами тампонаж-ного материала, так и способом установки моста.
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 толщиной 3 — 12 мм градиент давления прорыва воды составляет соответственно 1,8 — 0,6 МПа на 1 м. При наличии на корке пленки нефти давление резко уменьшается. При отсутствии корки между стенкой трубы и цементным камнем прорыв воды происходит при градиенте давления свыше 7 МПа/м. Следовательно, герметичность моста в значительной мере зависит также от условий и способа его установки. Корка при твердении цементного раствора обезвоживается, появляются в ней трещины.
В связи с этим высоту цементного моста следует корректировать, используя следующую формулу:
где Рм — максимальная величина перепада давления, 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 и применяемых тампонажных материалов.
Из значений высоты цементных мостов, определенных по формулам (9.1) и (9.2), выбирают большее.
Ориентировочные значения [тм] и [АР] при установке мостов чрез заливочную колонну с применением раствора из портландцемента в зависимости от технологии установки приведены в табл. 4.2.
121
Таблица 42 Ориентировочные значения [тм| и [ДР] при установке мостов
Условия и технологические мероприятия по установке моста [тм], МПа/м [АР], МПа
В обсаженной скважине
С применением скребков и моющих
буферных жидкостей 5 1
С применением моющих буферных жидкостей 2 0,5
Без скребков и буферных жидкостей 1 0,05
В необсаженной скважине |
С применением скребков и моющих
буферных жидкостей 2 0,5
С применением абразивных буферных
жидкостей 1 0,2
С применением неабразивных буферных
жидкостей 1 0,05
Без буферных жидкостей 0,5 0,01
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 — 6 МПа и одновременной промывке, то его прочностные свойства удовлетворяют условиям как забурива-ния нового ствола, так и нагружения от силы тяжести 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 моста H! должна обеспечить возможность забуривания нового ствола с допустимой интенсивностью искривления, а нижняя часть Н0 — надежную изоляцию старого ствола.
где Rc — радиус искривления ствола.
Верхняя часть моста часто бывает непрочная, рыхлая, за счет водоотстоя и смешивания с буровым раствором.
Опыт бурения и эксплуатации скважин показывает, что оптимальная величина интенсивности искривления ствола составляет 1° на 10 м, что соответствует радиусу искривления 573 м. Величину Н„ определяют из условия 4. 1 и 4.2.
В практике установки цементных (и прочих) мостов применяют следующие способы:
122
— закачку тампонажного раствора в интервал формирования моста при уравновешивании его столбов в заливочных трубах и кольцевом пространстве (балансовый способ);
— закачку тампонажного раствора с применением двух разделительных пробок;
— закачку цементного раствора в интервал установки моста под давлением;
— с использованием разделительного пакера;
— с использованием цементировочной желонки.
При распространенном балансовом способе в колонну заливочных труб, спущенную до глубины, соответствующей подошве моста, после промывки закачивают тампонажный раствор. Высота подъема раствора в кольцевом пространстве производится до расчетной высоты (с учетом объема труб). Затем заливочные трубы поднимают до кровли моста и прямой или обратной промывкой вымывают излишек тампонажного раствора.
Способ установки цементного моста с использованием двух разделительных пробок аналогичен предыдущему. Разнятся они тем, что во втором случае в нижней части заливочной колонны устанавливается пробкодержатель, после чего трубы спускают на расчетную глубину. В процессе закачки цементного раствора нижняя пробка проходит через пробкодержатель. После прокачки цементного раствора через трубы верхняя пробка, движущаяся за ним, садится на пробкодержатель. Возникает скачок давления. Заливочные трубы поднимают до кровли моста, повышают давление в трубах, что приводит к срезанию шпилек пробкодержателя и открыванию циркуляционных отверстий. Прямой или обратной промывкой вымывают излишек тампонажного раствора. Вследствие повышенной точности способа его применяют в глубоких скважинах, хотя он эффективен во всех случаях
Установка моста с использованием цементировочной желонки для повышения вероятности получения качественного моста предусматривает установку пробки или пакера. Затем с помощью желонки тампонажный раствор «выливается» на них. Точность установки такого моста высока, но качество определяется рядом факторов: некоторые из них исключают возможность формирования значительных по высоте мостов, не всегда обеспечивают достаточную прочность камня и др.
Используют СТС-стреляющие тампонажные снаряды, в которые впрессовывается пробка; снаряд, спущенный на заданную глубину в скважину, выстреливает ее. Увеличенная в диаметре пробка останавливается в колонне, образуя мост. Для
123
повышения его прочности одним из известных способов на нем формируют цементную часть моста.
Основными причинами безуспешной установки мостов в открытом стволе скважины (реже в обсадной колонне) является перемешивание тампонажного (особенно если взято небольшое его количество) и бурового растворов; уменьшение конечного объема тампонажного раствора за счет налипания на стенку заливочной колонны; образование цементного конгломерата, находящегося в буровом растворе (после подъема заливочных труб), особенно в местах расширения ствола (у каверн). При «успешной» установке моста он может оказаться негерметичным даже в случае правильно подобранной для конкретных условий рецептуры тампонажного раствора; причина — прохождение газа по зазору между собственно цементным камнем и трубами вследствие процесса контракции, т. е. обезвоживания оставшегося бурового раствора между стенкой трубы и цементным камнем и образования в этих местах каналов. А при формировании камня в открытом стволе каналы будут больше.
Осложненные условия (большая — более 4000 м — глубина, высокие температуры и давления, высокие структурно-механические свойства буровых растворов, значительная кавер-нозность ствола скважины и другие) обязывают более внимательно относиться к каждому звену всего процесса установки мостов: приведению в норму параметров бурового раствора, очистке скважины, подбору рецептуры тампонажного раствора, срокам ОЗЦ и технологически правильному проведению операции.
Мосты могут испытываться опрессовкой, нагрузкой трубами (особенно при забуривании второго ствола), снижением уровня жидкости в скважине, а в ответственных случаях — испытателем пластов.
4.2. ОСОБЕННОСТИ ВЫБОРА РЕЦЕПТУРЫ И ПРИГОТОВЛЕНИЯ ЦЕМЕНТНОГО РАСТВОРА ДЛЯ УСТАНОВКИ МОСТОВ
Тампонажные материалы для установки мостов следует выбирать, исходя из требований, предъявляемых к данному мосту, а также специфических особенностей работ по его установке.
При выборе рецептуры цементного раствора для установки моста в глубоких скважинах необходимо проводить исследования на консистометре (КЦ) по программе, имитирующей процесс установки моста не только по времени, давлению и температуре, но и по характеру проводимых работ.
124
Данные о программе исследолаимя представлены в табл. 4.3.
Таблица43 Программа исследования тампонажного раствора
Условия исследования на КЦ Продолжительность исследования
'-on Р„» вращение мешалки
Нагрев от комнатной температуры до 1ДНН Повышение давления до Рди„ Да Т, + Т2 + Т3
U <*о„ < tCT рст < р„„ < рдин Нет 1,5 (Т4 + Т5 + Т6)
То же То же Да 1,2 Т,
П р и м е ч а н и е. ton и Роп — температура и давление при проведении опыта; 1ДИН и tCT — динамическая и статическая температура в интервале установки моста, Рдин и Рст — динамическое и статическое давление в скважине соответственно.
При этом время загустевания цементного раствора Тмг, должно соответствовать условию:
где Т,, Т2, Т3 — затраты времени соответственно на приготовление, закачивание и продавливание цементного раствора в скважину;
Т4, Т5, Т6 — затраты времени на подъем колонны труб до глубины срезки моста, герметизацию устья и подготовку к срезке моста;
Т7 — затраты времени на срезку моста.
При установке мостов в глубоких скважинах по указанной программе также необходимо исследовать смеси цементного раствора с находящимися с ним в контакте жидкостями, взятыми в соотношениях 3:1, 1:1 и 1:3. В некоторых случаях необходимо применение буферных жидкостей.
Другим не менее важным фактором является реализация выбранной рецептуры при приготовлении цементного раствора. Главными условиями при этом являются поддержание необходимых концентраций химреагентов в жидкости затворе-ния и водоцементного отношения. Для этого количество используемых материалов нужно определять соответствующими способами: жидкие — по объему, сухие — по массе с необходимой точностью. Поскольку в процессе приготовления возможно насыщение раствора воздухом, контроль только по плотности не может быть достаточным, поэтому весь объем раствора следует готовить в осреднительной емкости, контролируя его качество по общему расходу жидкости затворения и
125
цемента. При этом схема приготовления должна предусматривать возможность дополнительного ввода в раствор какого-либо из его компонентов.
Перед установкой цементного моста подбирают тампонаж-ный материал и рецептуру его приготовления. Состав тампо-нажного раствора определяется геолого-техническими условиями скважины (пластовое давление, температура, давление гидроразрыва пласта, высота столба моста). Поэтому рекомендуют следующий выбор тампонажных материалов.
1. Облегченные цементы для получения растворов плотностью 1400*1600 кг/м3, на базе тампонажного цемента для «холодных» и «горячих» скважин, а также на основе шлакопесча-ной смеси для температур 90 •*- 140°С — ШПЦС-120 и для температур 160-250°С — ШПЦС-200.
2. Утяжеленные цементы для получения растворов плотностью не менее 2150 кг/м3 на базе тампонажного цемента для «холодных» и «горячих» скважин, а также на основе шлако-песчаной смеси для температур 90 -*- 140°С — УШЦ-120; для температур 160-250°С — УШЦ-200.
Из тампонажного портландцемента получают цементный раствор плотностью 1820—1850 кг/м3 с водоцементным отношением 0,5. Причем, начало схватывания при температуре 20-s-30°C длится до 10 часов. При более высоких температурах время схватывания меньше, и при температуре 75°С схватывание цемента длится уже 1,5 + 2 часа, что порой недостаточно при производстве тампонажных работ. Поэтому в зависимости от температуры применяют добавки реагентов: ССБ в количестве от 0,1 до 0,5%, хромать: — от 0,1 до 0,5%, ОКЗИЛ — от 0,1 до 0,5% от массы цемента.
Для снижения водоотдачи тампонажных растворов в них вводят поливиниловый спирт — до 1% и др. Количество химических реагентов определяют лабораторным путем в зависимости от характера скважины, способа цементирования и сорта тампонажного цемента.
4.3. РАЗРУШЕНИЕ ЗАСТОЙНЫХ ЗОН ПОПЕРЕЧНЫМ РАСХАЖИВАНИЕМ КОЛОННЫ ТРУБ
Застойные зоны тиксотропной жидкости в кольцевом пространстве скважины образуются при недостаточном центрировании колонны труб, при неизменности положения вектора эксцентричности в поперечном сечении скважины. При изменении направления вектора эксцентричности изменяется местоположение застойных зон и потока, вследствие чего поток распространяется на застойные зоны. При этом ликвидация застойных зон достигается без повышения давления.
126
Анализ показывает, что при эксцентричном положении колонны в скважине циркуляция восстанавливается при значительно меньших давлениях.
Изменение вектора эксцентричности достигается при поперечных перемещениях колонны труб в скважине, что приводит также к более интенсивному разрушению структуры раствора и дальнейшему уменьшению потерь давления в кольцевом пространстве.
Поперечное расхаживание может быть осуществлено путем применения эксцентриков, располагаемых на колонне в интервале установки цементного моста, с одновременным вращением колонны, а также при расхаживании колонны с раз-гружением на забой.
При вращении колонны с эксцентриками трубы, опираясь на них, перемещаются в поперечном сечении скважины, что обусловливает разрушение застойных зон. При использовании эксцентриков буровой раствор полностью вытесняется из кольцевого пространства скважины значительно большего диаметра, чем при применении центратора, даже при наличии больших каверн. В случае одновременного вращения и расхажива-ния колонны в осевом направлении загустевшие массы бурового раствора и скопления шлама разрушаются в результате непосредственного воздействия на них самих эксцентриков.
Бурильные эксцентрики (табл. 4.4, рис. 4.1) для скважин диаметром: 214, 243, 269 и 295 мм выполнены в виде ряда радиальных ребер, жестко соединенных с корпусом и образующих в поперечном сечении своими периферийными гранями прерывистую окружность, эксцентричную по отношению к корпусу. Подобрано такое число ребер, чтобы в контакте с породой находилось не менее двух из них, а удельная нагрузка на стенки скважины не превышала 1 МПа даже при угле наклона ствола 30° С. При такой конструкции эксцентрика достигается минимальное перекрытие ствола скважины, обусловливается плавное скольжение этого устройства и предотвращаются провалы колонны в желоб.
Для расхаживания и вращения колонн диаметром 114—168 мм применяется цементировочная головка ГЦУ-ЗН-197-300, устанавливаемая между рабочей трубой и вертлюгом. Головка позволяет проводить цементирование с двумя разделительными пробками. В каждой секции головки имеются отвод с краном для подсоединения рис. 4.1. Экс-Цементировочных агрегатов и винтовой стопор центрик для АЛЯ фиксации разделительной пробки. В случае поперечного Цементирования с одной пробкой или вообще без Расхая<ивания пробки используют одну секцию головки вместе колонны-
127
с обратным клапаном, который необходим для предупреждения аварийных ситуаций на скважине в случае разрыва бурового шланга.
Для операций по установке цементных мостов в кавернозной части ствола скважины характерна крайне низкая успешность. В большинстве случаев успех достигается только в ре-
Бурильные эксцентрики
Таблица 44
Шифр эксцентрика Техническая характеристика
число ребер, шт диаметр эксцентрика, мм диаметр корпуса, мм высота, мм масса, кг эксцент-рисистет, мм
ЭБ-3-178-214 3 204 178 750 108 26
ЭБ-5-178-243 5 233 178 750 111 55
ЭБ-5- 178-269 5 259 178 750 119 81
ЭБ-5-178-295 5 285 178 750 123 107
.L
А-А
Рис. 4.2. Турбулизатор
1 — корпус, 2 — стабилизатор, 3 — заглушка
зультате проведения нескольких операций.
Основной причиной низкой успешности работ по установке цементных мостов в кавернозной части ствола является наличие в ней загустевших масс бурового раствора и шлама, статические напряжения сдвига которых могут быть на три—четыре порядка больше нормальных значений. Естественно, что за счет касательных напряжений на границе потока застойные зоны в кавернах разрушиться не могут. Для этого необходимо радиальное истечение жидкости (рис. 4.2) через боковые отверстия в колонне (гидромониторный эффект) либо механико-гидравлическое воздействие, возникающее при работе эксцентриков.
Практика установки цементных мостов в условиях проявлений и частичных поглощений выдвигает необходимость создания в скважине баритовых пробок в целях перекрытия объекта,
128
возникновения осложнения, сохранения контроля за стволом скважины и установки цементных мостов по всему сечению ствола скважины. На практике известны случаи, когда создание баритовой пробки не уравновешивало гидростатическое давление пластов и не предотвращало развитие проявлений. Однако известны и другие случаи, когда ликвидировать проявление за один раз не удавалось, и баритовую пробку приходилось устанавливать несколько раз, увеличивая ее высоту.
4.4. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ УСТАНОВКИ ЦЕМЕНТНЫХ МОСТОВ
Мост в скважинах устанавливают по одной из трех схем: 1) мост из твердеющего состава, не ограниченный ни сверху, ни снизу уплотнениями; 2) мост из твердеющего состава, залитого на предварительно созданное уплотнение; 3) уплотнение без твердеющего состава. Для реализации разработаны цементировочное оборудование и оснастка заливочной колонны. Анализ оборудования, применяемого в настоящее время при установке мостов, показал, что для сложных условий наиболее приемлемыми могут быть только некоторые устройства (табл. 4.5).
Из скважинного оборудования достаточно эффективным является устройство для контроля при забойном цементировании (УКЗЦ), разработанное в УкрНИИПНД. Устройство (рис. 4.3) состоит из корпуса 1, посадочной плиты 2, сменных шпилек 3, направляющей пробки 4 и двух резиновых, наполненных жидкостью разделителей 5.
Последовательность технологических операций при установке цементных мостов с помощью УКЗЦ показана на РИС. 4.4.
Устройство в собранном виде (без ша-РОВЫХ разделителей) спускают до нижней отметки интервала установки цементного моста. Затем на заливочную колонну устанавливают цементировочную го-9 Закач 129
Рис. 4.3. Устройство для контролируемой установки цементных мостов конструкции УкрНИИПНД.
129
ловку, в которой размещают два шаровых разделителя. После промывки скважины и закачки буферной жидкости освобождают первый шаровой разделитель, закачивают расчетное количество там-понажного раствора, затем освобождают второй шаровой разделитель и начинают продавливание. До посадки первого шарового разделителя на опорную плиту (рис. 4.4, I) буровой раствор свободно выходит из заливочных труб 1 в скважину через радиальные отверстия 2 и вертикальные отверстия 3 в опорной плите 4, а после посадки этого разделителя (в период продавли-вания тампонажного раствора в заколонное пространство) через радиальные отверстия 2 уже вы-
II III IV
Рис. 4.4. Последовательность технологических операций при установке мостов с помощью устройства УКЗП:
I — закачка тампонажного раствора,
II — продавливание тампонажного раствора в кольцевое пространство,
III — окончание продавливания раствора, IV — срезка кровли моста
_ - А- __ j----
ходит тампонажный раствор (рис. 4.4, II). Последние 1—2 м3 продавочной жидкости закачивают на пониженной скорости одним ЦА, благодаря чему на поверхности четко фиксируется момент схождения шаровых разделителей 5 и 6 (рис. 4.4, III). После подъема УКЗЦ до верхней отметки интервала установки цементного моста в колонне заливочных труб создается избыточное давление, в результате чего происходит срез стопорных шпилек 7, опорная плита с двумя шаровыми разделителями опускается до упора в торец направляющего башмака 8 (рис. 4.4, IV), радиальные отверстия 2 открываются и через них осуществляется прямая или обратная промывка при срезке кровли моста.
Эффективность работы устройства зависит от надежности фиксации момента схождения пробок и среза шпилек 7. При установке цементного моста на большой глубине обеспечить нормальную работу УКЗЦ не всегда удается. Другим недостатком этой технологии установки цементных мостов является необходимость подъема колонны заливочных труб перед срез-
130
Таблица 4.5
Оборудование для установки цементных мостов
Оборудование для установки мостов Наиболее приемлемое Преимущества Недостатки
Скважинные УКЗЦ Исключение Контроль за
устройства перемешивания срабатыванием
тампонажного (срезом шпильки)
раствора при неэффективен на
прокачивании по большой глубине
колонне буриль-
ных труб
Оснастка зали- Эксцентрики Эффективное Необходимо
вочной колонны бурильные удаление шлама вращение колон-
из кавернозной ны
части
Изолирующие Стреляющий Перекрытие Невозможна
пробки тампонажный ствола при погло- установка в ка-
снаряд щениях и газо- вернозном стволе
проявлениях
Пакеры Разбуриваемый То же Неприменим в
пакер ПРГМ кавернозном
стволе и при вы-
сокой температу-
ре
Цементировоч- Цементировоч- Отсутствие вы- Невозможно
ная головка ная головка ступающих узлов использование
двух разделитель-
ных пробок
Разделитель- Эластичная Способность Требуются спе-
ные пробки сферическая це- прохождения по циальные поса-
ментировочная колонне с различ- дочные устрой-
пробка ным сечением ства
Устройства для Тампонажное Раздельная дос- С уще ству ет
раздельной дос- устройство тавка компонен- только конструк-
тавки компонен- тов в скважину торская разработ-
тов смеси ка
кой кровли моста. В этом случае имеет место эффект поршне-вания, что неизбежно приводит к перемешиванию внутрисква-жинной жидкости с тампонажным материалом. Так как для установки моста используют небольшое количество тампонажного раствора, то перемешивание может существенно повлиять на успешность операции с применением УКЗЦ.
Аналогичное устройство для контролируемой установки Цементных мостов разработано в АзНИПИнефти (рис. 4.5). Оно состоит из неподвижной и подвижной частей. Неподвижная часть представляет собой корпус 1, на верхнем конце которого
131
имеется замковая резьба, а на нижний конец навинчивается направляющая пробка 6. Подвижная часть состоит из упругого седла 2 и стакана 5 с уплотнительным кольцом 4. Подвижная часть удерживается в корпусе с помощью двух штифтов 3. Кольцевое пространство между корпусом и направляющей пробкой представляет собой гидравлический амортизатор, заполняемый консистентной смазкой.
Устройство спускают в скважину на колонне бурильных труб до нижней отметки устанавливаемого цементного моста. После окончания закачивания тампонаж-ного раствора проталкивают разделительную пробку 7 из цементировочной головки в бурильные трубы и продавливают там-понажный раствор до получения сигнала «стоп» в момент посадки пробки 7 на упругое седло 2 устройства. Затем поднимают УКЗЦ до верхней отметки цементного моста и закачивают продавочную жидкость в бурильные трубы. При повышении давления штифты 3 срезаются и подвижная часть устройства вместе с пробкой 7 и упругим седлом 2 перемещается в крайнее нижнее положение, выдавливая при этом жидкость из гидравлического амортизатора. Переход упругого седла в расширенную часть корпуса сопровождается его расширением, и пробка проталкивается в скважину, открывая центральный канал для промывки, что фиксируется по резкому снижению давления.
Технология установки мостов с применением УКЗЦ конструкции АзНИПИнефти обладает теми же недостатками, что и с использованием предыдущего устройства.
Из устройств, обеспечивающих прохождение в заливочную колонну продавочных и разделительных пробок, как наиболее совершенное можно назвать цементировочную головку б. ВНИИКРнефти (рис. 4,6).
Она состоит из корпуса 1, переключающего механизма, в который входят колокол 2, цилиндр 3, поворотная втулка 4 с внутренней резьбой, и размещенных в пазах цилиндра суха-
Рис. 4.5. Устройство для контролируемой установки цементных мостов конструкции АзНИПИнефти.
132
рей 5, имеющих ответную резьбу. Во внутренней полости цилиндра 3 установлена цементировочная пробка 6, зафиксированная стопором 7 в полости колокола 2. Стопор 7, удерживающий пробку 6, фиксируется от осевого перемещения цилиндром 3 в положении, при котором перекрыты радиальные отверстия 8, выполненные в колоколе. В цилиндре и колоколе имеются циркуляционные отверстия 9. Переводник 10 служит для соединения головки с обсадной колонной. Уплотнительные элементы 11 служат для герметизации головки.
Цементировочная головка работает следующим образом. В положении, показанном на рис. 4.6, она устанавливается на верхнюю трубу заливочной колонны. На головку навинчивается ведущая труба, и в дальнейшем промывку и цементирование проводят через стояк, буровой шланг и вертлюг. При промывке скважины и во время закачивания там-понажного раствора циркуляция осуществляется через циркуляционные отверстия 9 в цилиндре и колоколе. После закачки тампонажного раствора осуществляют продавливание цементировочной пробки. Для этого вращают втулку 4, что приводит к перемещению сухарей 5 и цилиндра 3, жестко связанного с сухарями. Изменение положения цилиндра 3 приводит к перекрытию циркуляционных отверстий 9, открытию радиальных отверстий 8 и освобождению стопора 7. Под действием давления пробка 6 смещает стопор 7 в осевом направлении и начинает движение по колонне. В дальнейшем тампонажный раствор продавливается через отверстия в колоколе — циркуляционные 9 и радиальные 8. Во время закачивания и продавливания раствора расхаживают заливочную колонну, что улучшает вытеснение бурового раствора и повышает качество работ.
Важную роль в технологии доставки тампонажного материала к месту установки моста играют разделительные пробки. В б.ВНИИКРнефти разработан комплекс разделительных пробок — КРП (рис. 4.7). Конструктивно пробка состоит из легко разбуриваемого корпуса 1, резиновых эластичных манжет 2, собран-
Рис. 4.6. Цементировочная головка б.ВНИИКРнефти.
133
ных на корпусе без гумирования. Нижняя разделительная пробка оборудуется мембраной 3, которая установлена в обойме 4 с уплотнительным кольцом 5. Пробка применяется совместно с клапаном ЦКОД. При посадке ее на седло этого клапана повышается давление в колонне заливочных труб, в результате чего разрушается мембрана 3. Повышение давления, отмеченное на устье, свидетельствует о достижении пробкой посадочного узла. В качестве разделительной пробки для колонны бурильных труб со ступенчатым профилем внутреннего канала применяется эластичный сферический разделитель, имеющий клапан, через который внутренняя полость пробки заполняется рабочей жидкостью. За счет избыточного внутреннего давления обеспечивается необходимая поверхность контакта пробки с трубами. Чтобы пробка при прохождении сечений переменного профиля не сплющивалась и работала как поршень, внутрь ее помещается шар из прочного материала,
более плотного, чем жидкость. По диаметру шар несколько больше отверстия в упорном кольце. Благодаря эластичности материала сферы и избыточному давлению рабочей жидкости внутри нее разделительная пробка способна обратимо менять форму при прохождении через места значительного сужения в колонне труб, особенно при цементировании скважин через бурильные трубы, без ущерба для качества разделения перекачиваемых жидкостей.
Рис. 4.7. Разделительная пробка конструкции ВНИИКРнефти.
4.5. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ОПЕРАЦИЙ ПО УСТАНОВКЕ ЦЕМЕНТНЫХ МОСТОВ
1. Определение необходимых объемов цементного раствора, продавочной и буферной жидкостей
Если при установке цементных мостов средства контроля за положением уровня тампонажного раствора в трубах не используются, то расчет потребных объемов цементно-
134
го раствора V4 и продавочной жидкорга Vnp производится по следующим формулам:
; (4.3)
(4.4)
где ДУ — относительный объем татгонажного раствора, оставляемого в заливочной колонне,
ТТО
AVnp=C1+C3+—^; (4>5)
утр
Н — проектная высота моста;
SK; STp — соответственно площади проходного сечения в кольцевом пространстве и в трубах в интервале установки моста;
V^ — внутренний объем заливочной колонны;
С — коэффициент, учитывающий несоответствие между расчетными и фактическими объемами заливочной колонны; при использовании бурильных и насосно-компрессорных труб С= 1,00; в случае применения обсадных труб С = 1,03;
С0 — коэффициент, учитывающий случайные ошибки при продавливании тампонажного раствора в скважину; если средства контроля за движением жидкостей не используются, то С0 = 0,03-0,04, если используются — С0 = 0;
С,, С2, С3 — коэффициенты, учитывающие потери темпо-нажного раствора соответственно на стенках труб и при смешивании с соседней жидкостью на I и II границах (табл. 4.6); при установке мостов с использованием верхней и нижней разделительных пробок коэффициенты С,, С2 и С3 принимаю-ся равными нулю; при использовании только верхней пробки нулю равны С, и С3.
При установке моста без разделительной пробки или второй порции буферной жидкости необходимо принимать условие:
AV> 0,065, (4.6)
135
в противном случае, но без средств кошроля за движением
тампонажного раствора:
AV> 0,048. (4.7)
При установке мостов с использованием верхней разделительной пробки и средств контроля за ее движением условия 4.6 и 4 7 не учитываются.
Объем I порции буферной жидкости, закачиваемой перед тампонажным раствором, рассчитывается как:
V^C^+CsHS,; (4.8)
а объем II порции, нагнетаемой после цементного.раствора, определяется из выражения:
V,, -C4Vnp; (4.9)
где С4 и С5 — коэффициенты из табл. 4.6. Величина V,, входит в общий объем продавочной жидкости Vnp.
Таблица 46
Величины коэффициентов, учитывающих потери тампонажного раствора на стенках труб и при смешении с буровым раствором
Показатели Обозн коэфф Величина коэффициента
для бурильн труб для НКТ
Тип буферной жидкости вода нет вода нет
Потери цементного раствора на стенках труб с, 0,008 0,029 0,02 0,011
Потери цементного раствора из-за смешения с соседней жидкостью на 1 границе С2 0,023 0,037 0,012 0,020
Потери цементного раствора из-за смешения с соседней жидкостью на 2 границе С3 0,017 0,030 0,011 0,020
Потери буферной жидкости при движении по заливочной колонне с< 0,020 . 0,020
То же при движении по кольцевому пространству с, 0,400 - 0,400 -
136
Таблица 4.7
Допустимый градиент давления при определении высоты цементного моста
Условия и способ установки моста
[АР], МПа/м
В обсаженной скважине
С применением скребков и моющих буферных жидкостей на водной основе
С применением моющих буферных жидкостей Без скребков и буферных жидкостей В необсаженной скважине
С применением скребков и буферных жидкостей С применением буферных жидкостей Без скребков и буферных жидкостей
5,0 2,0 1,0
2,0 1,0 0,5
Таблица
Допустимые касательные напряжения для определения обеспечения необходимой несущей способности моста
Условия и способ установки моста [т], МПа
В обсаженной скважине С применением скребков и моющих буферных жидкостей на водной основе С применением моющих буферных жидкостей Без скребков и буферных жидкостей В необсаженной скважине С применением скребков и моющих жидкостей С применением абразивных буферных жидкостей С применением неабразивных буферных жидкостей Без буферных жидкостей 1,0 0,5 0,05 0,5 0,2 0,05 0,01
2. Определение высоты цементного моста
Расчет высоты моста необходимо производить, исходя из условия обеспечения соответствующей герметичности, несущей способности и забуривания нового ствола. Исследования показывают, что оценочный расчет высоты моста может быть проведен Так, при наличии между колонной и Цементным камнем глинистой корки толщиной 3-12 мм давление прорыва воды составляет 0,6—1,8 МПа на 1 м. Давление прорыва прямо пропорционально длине и обратно пропорционально толщине корки. По данным американских исследователей, прорыв воды между стенкой трубы и цементным камнем
137
происходит при градиенте давления 0,70 МПа/м. В связи с этим высоту цементного моста рекомендуется определять по фор-
муле:
(4.10, а)
[др]'
где Р — максимальная величина перепада давления, действующего на мост при его испытании или эксплуатации;
[АР] — допустимый градиент давления (табл. 4.7).
Высота цементного моста, подошва которого находится выше забоя скважины или другой опоры, должна проверяться, исходя из условия обеспечения необходимой несущей способности, по формуле
<4Л°)
где QM — осевая нагрузка, создаваемая на мост колонной труб или перепадом давления Р;
Dc — диаметр скважины;
[т] — допустимые касательные напряжения (табл. 4.8).
При забуривании нового ствола высота моста определяется из выражения:
(4.11)
где а, — интенсивность искривления ствола в градусах на 1 м. При а, = 0,1° на 1 м формула (4.11) имеет вид:
(4.12)
где размерность Dc и Н дана в метрах.
Формула (4.11) выведена из условия, чтобы после забури-вания нового ствола расстояние между ближними стенками старого и нового стволов было равно двум диаметрам скважины.
В табл. 4.9 приведены рекомендуемые значения высоты моста, определенные по формуле (4.12), а также высота моста Н', на которой при интенсивности искривления а, = 0,1° на 1 м происходит забуривание нового ствола.
138
Таблица 49 рекомендуемые значения высоты моста при забуривании- нового ствола
------------ Dc, м 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
Н, м 18,9 26,2 32,2 37,2 41,7 45,6 49,0 52,5
Н, м 10,8 15,0 18,4 21,3 23,8 26,0 28,0 30,0
3. Расчет времени установки моста
Продолжительность установки моста Т должна определяться, исходя из оптимальной скорости движения жидкости в кольцевом пространстве и сроков схватывания (загус-тевания) тампонажного раствора.
Т = Т, + Т2 + Т3 + Т4 + Т5 = 0,75 Тзаг,
(4.13)
где Т, — затраты времени на приготовление и закачку тампонажного раствора в скважину;
Т2 — продолжительность введения разделительных пробок в колонну;
Т3 — затраты времени на продавливание тампонажного раствора в интервал установки моста;
Т4 — продолжительность снятия цементировочной головки и подъема заливочной колонны из зоны тампонажного раствора;
Т5 — затраты времени на установку цементировочной головки и срезку кровли моста;
Тзаг — время загустевания тампонажного раствора, определяемое по консистометру.
Время Т3 определяется, исходя из необходимости обеспечения эффективной скорости W3 подъема жидкости в интервале установки моста:
V,
пр
(4.14)
В связи с этим перед установкой мостов в скважинах необходимо проводить гидравлические исследования с целью определения оптимального режима работы цементировочных агрегатов. Если конструкция скважины не позволяет создавать скорость восходящего потока более 1 м/с, то в нижней части заливочной колонны необходимо установить трубы большего Диаметра. Если последнее условие невыполнимо, установка Цементного моста осуществляется при скорости восходящего потока W, < 0,5 м/с.
На главную страницу