Никитина и., панова е., кондратюк а., уколов и.

Технология и материалы цементирования скважин в условиях аномально низких пластовых и аномально высоких давлений (АНПД и АВПД)

Никитина И., Панова Е., Кондратюк А., Уколов И.

Крепление скважин

КРЕПЛЕНИЕ СКВАЖИН — процесс укрепления стенок буровых скважин обсадными трубами и тампонажным раствором. Наиболее распространено крепление скважин последовательным спуском и цементированием направляющей колонны, кондуктора, промежуточной и эксплуатационных колонн

Обсадные колонны

Обсадная колонна - это свинченные друг с другом и опущенные в ствол обсадные трубы с целью изоляции слагающих ствол горных пород. Различают первую обсадную колонну - кондуктор, последнюю обсадную колонну - эксплуатационную колонну, в том числе хвостовик, промежуточные обсадные колонны, в том числе летучки (лайнеры).

Обсадные колонны предназначены для изоляции стенок скважин от рабочего пространства ствола в процессе бурения и эксплуатации и обеспечивают требуемую прочность и герметичность при воздействии на них внутренних и внешних воздействий в первую очередь давления. Для создания необходимой изоляции кольцевого пространства, остающегося между обсадными колоннами, оно заливается жидким цементным раствором, твердеющим через определенное время.

Обсадные колонны по назначению подразделяются следующим образом.

Направление - первая колонна труб или одна труба, предназначенная для закрепления приустьевой части скважин от размыва буровым раствором и обрушения, а также для обеспечения циркуляции жидкости. Направление, как правило, одно. Однако могут быть случаи крепления скважин двумя направлениями, когда верхняя часть разреза представлена лессовыми почвами, насыпным песком или имеет другие особенности. Обычно направление спускают в заранее подготовленную шахту или скважину и бетонируют на всю длину. Иногда направление забивают в породу, как сваю.

Различают шахтное (или шахтовое) направление и удлиненное направление. Шахтное устанавливается, как правило, во всех случаях и его длина составляет 3-10 м. В зависимости от конкретных условий может устанавливаться удлиненное направление или от одного до нескольких направлений и в этом случае длина может достигать 100 м. Направление спускается по возможности в глинистый пласт. Диаметр колонны колеблется от 245 до 1250 мм. Трубы, используемые в качестве направления, на прочность не рассчитываются и не опрессовываются.

Кондуктор - колонна обсадных труб, предназначенных для разобщения верхнего интервала разреза горных пород, изоляции пресноводных горизонтов от загрязнения, монтажа противовыбросового оборудования и подвески последующих обсадных колонн.

Кондуктор в зависимости от геологических условий устанавливается на глубину в среднем до 100 м, а максимальная глубина до 600 м. Диаметр кондуктора, как правило, колеблется в диапазоне 177-508 мм. Он опрессовывается, как и цементное кольцо.

Шахтное направление и кондуктор являются обязательными элементами конструкции скважины.

Промежуточная обсадная колонна (их может быть несколько) служит для разобщения несовместимых по условиям бурения зон при углублении скважины до намеченных глубин.

Промежуточные обсадные колонны могут быть следующих видов:

• сплошные - перекрывающие весь ствол скважины от забоя до ее устья независимо от крепления предыдущего интервала;
• хвостовики - для крепления только необсаженного интервала скважины с перекрытием предыдущей обсадной колонны на некоторую величину;
• летучки - специальные промежуточные обсадные колонны, служащие только для перекрытия интервала осложнений и не имеющие связи с предыдущими или последующими обсадными колоннами.

Секционный спуск обсадных колонн и крепление скважин хвостовиками являются, во-первых, практическим решением проблемы спуска тяжелых обсадных колонн и, во-вторых, решением задачи по упрощению конструкции скважин, уменьшению диаметра обсадных труб, зазоров между колоннами и стенками скважины, сокращению расхода металла и тампонирующих материалов, увеличению скорости бурения и снижению стоимости буровых работ.

На практике в глубокие скважины обычно спускают несколько обсадных колонн, которые различаются по назначению и глубине спуска:

1 - направление - служит для закрепления устья скважины и отвода изливающегося из скважины бурового раствора в циркуляционную систему, обычно спускается на глубину 3 - 10 м;

2 - кондуктор - устанавливается для закрепления стенок скважины в интервалах, представленных разрушенными и выветрелыми породами, и предохранения водоносных горизонтов - источников водоснабжения от загрязнения, глубина спуска до нескольких сот метров;

3 - промежуточная колонна - служит для изоляции интервалов слабосвязанных неустойчивых пород и зон поглощения; промывочной жидкости; глубина спуска колонны зависит от местоположения осложненных интервалов;

Промежуточные обсадные колонны могут быть следующих видов:

• сплошные - перекрывающие весь ствол скважины от забоя до ее устья независимо от крепления предыдущего интервала;
• хвостовики - для крепления только необсаженного интервала скважины с перекрытием предыдущей обсадной колонны на некоторую величину;
• летучки - специальные промежуточные обсадные колонны, служащие только для перекрытия интервала осложнений и не имеющие связи с предыдущими или последующими обсадными колоннами.

4 - эксплуатационная колонна - образует надежный канал в скважине для извлечения пластовых флюидов или закачки агентов в пласт; глубина ее спуска определяется положением продуктивного объекта..

Башмак.Представляет собой толстостенный патрубок, предназначенный для предотвращения смятия колонны при посадке ее забой. Направляющая пробка (изготовляемая из легко разбуриваемого материала) крепится книзу и предназначена для направления колонны при ее спуске. В башмаке имеется отверстие для выхода бурового и цементного раствора.

Обратный клапан. Ставится над башмаком для предотвращения поступления бурового или цементного раствора обратно в колонну.

Упорное кольцо – ставится над обратным клапаном для посадки цементировочной пробки и получения сигнала об окончании процесса цементирования.

Оборудование на наружной поверхности – скребки, турбулизаторы, центраторы. Центраторы предназначены для обеспечения концентричного размещения обсадной колонны в скважине (с целью равномерного заполнений буровым раствором) и избегания присадок обсадной колонны в скважине. Турбулизаторы – для завихрения цементного раствора с целью его лучшего схватывания, скребки устанавливают для удаления глинистой корки в интервалах залегания проницаемых пластов.

Эксплуатационная колонна - последняя колонна обсадных труб, которой крепят скважину для разобщения продуктивных горизонтов от остальных пород и извлечения из скважины нефти или газа или для нагнетания в пласты жидкости или газа. Иногда в качестве эксплуатационной колонны может быть использована (частично или полностью) последняя промежуточная колонна.

Технологическая оснастка обсадной колонны состоит из следующих элементов:

-центратор

-турбулизатор

- скребки

Цементирование скважины

Цементирование скважины — процесс, который следует сразу после окончания буровых работ. Процедура цементирования заключается в том, что в затрубное или межтрубное (в случае если обсадная труба помещена в свою очередь в полиэтиленовую более широкую трубу) вводится цементный раствор, который со временем затвердевает, образуя монолитный ствол скважины.

На современном уровне технология цементирования включает систему отработанных норм и правил выполнения цементировочных работ, а также типовые схемы организации процесса цементирования. В каждом конкретном случае технологию цементирования уточняют в зависимости от конструкции и состояния ствола скважины, протяженности цементируемого интервала, горно-геологических условий, уровня оснащенности техническими средствами и опыта проведения цементировочных работ в данном районе.

Применяемая технология должна обеспечить:

· цементирование предусмотренного интервала по всей его протяженности;

· полное замещение промывочной жидкости тампонажным раствором в пределах цементируемого интервала;

· предохранение тампонажного раствора от попадания в него промывочной жидкости;

· получение цементного камня с необходимыми механическими свойствами, с высокой стойкостью и низкой проницаемостью; обеспечение хорошего сцепления цементного камня с обсадной колонной и стенками скважины

Способы цементирования скважин:

· сплошное или одноступенчатое;

· двухступенчатое;

· манжетное;

· обратное.

Основные понятия

Перед рассмотрением свойств тампонажных материалов необходимо рассмотреть основные понятия:

Тампонажный материал – материал, состоящий из смеси вяжущих веществ и минеральных и органических добавок, дающий при смеси с водой легкоподвижную и не расслаивающуюся в определенном диапазоне температур суспензию, которая с течением времени превращается в камневидное твердое тело.

Тампонажный раствор – гетерогенная дисперсная система, способная к затвердеванию.

Вяжущее вещество – вещество, обеспечивающее процесс затвердевания за счет своих химических свойств.

Жидкость затворения – дисперсионная среда гетерогенных тампонажных растворов.

Цементный камень – искусственное твердое тело, образующееся при затвердевании тампонажного раствора.

Новообразования – твердые вещества, образующиеся при реакциях компонентов тампонажных цементов между собой, с жидкостью затворения и внешними компонентами.

Классификация тампонажных цементов: согласно гост ГОСТ 1591-96

· По вещественному составу цементы подразделяют на следующие типы:

· По плотности цементного теста цемент типа III подразделяют на:

· По температуре

· Клинкерные,бесклинкерные

Клинкер – промежуточный продукт при производстве цемента, смесь известняка и глины соотношением 75:25 или других материалов сходного валового состава и достаточной активности частично расплавленный при температуре 1450 градусов Цельсия, в ходе плавления и получаются гранулы клинкера.

Наиболее часто применяемый цемент – портландцемент (применяется в 90% скважин, еще в 8% скважин применяются цементы на его основе).

Портландцемент

Портландцемент – ода из разновидностей клинкерных цементов, минеральное, вяжущее вещество, состоящее из портландцементного клинкера, имеющего основой силикаты кальция, и различных добавок. При производстве клинкера используется известняк, мел, доменные шлаки (носители оксида кальция) и глинистые породы – носители оксидов кремния, алюминия и железа. Также вводят корректирующие добавки (один из кислотных оксидов, чаще всего – оксида железа). Производство ведут путем обжига до спекания сырьевой смеси при 1700-1800 К), после чего производится охлаждение, дробление и размол в шаровых мельницах. На слайде вы можете увидеть основные компоненты цементного порошка, это такие оксиды как: CaO, SiO_2, Al₂O_3,Fe₂O_3, а так же небольшие включения других оксидов.

Оксид кремния способствует образованию силикатов, т.е. увеличивает способность твердеть, длительное время работать в водной среде. Увеличение содержания оксида кремния приводит к замедлению сроков схватывания и увеличивает сульфатостойкость цементного камня.

Оксид алюминия способствует ускорению сроков схватывания, но понижает прочность.

Увеличение содержания оксида железа приводит к замедлению процесса схватывания и снижает раннюю прочность цементного камня.

Свободный оксид кальция - вредная добавка, он способствует увеличению объема твердой фазы (его должно быть менее 1%)

Оксид магния в избыточных количествах (>4,5%) вызывает увеличение объема и разрушение вещества.

Щелочные оксиды вызывают растрескивание камня. Остальные примеси (кислотные) также вредно влияют на процесс его образования камня.

Минералы, содержащиеся в клинкере, представлены минералами-плавнями и минералами-силикатами. К минералам-силикатам относятся:

3CaO*SiO₂ – трехкальциевый силикат (С₃S), в виде минерала алита – 45-65% Алит достаточно быстро реагирует с водой, тем самым его ролью становится развитие прочности в первые дни (первые 28 суток)

2CaO*SiO₂ – двухкальциевый силикат, (C₂S) в виде минерала белита - 10-30% Белит медленно реагирует с водой, его роль проявляется на поздних сроках и значительно увеличивается прочность цементной смеси.

Через год после заливки, прочности белита и алита становятся примерно равными.

К минералам-плавням:

3CaO*Al₂O₃ – трехкальциевый алюминат (C₃A) – 2-15 Алюминатная фаза быстро реагирует с водой и может вызывать нежелательное, быстрое схватывание раствора, поэтому к клинкеру добавляют реагенты для контроля схватываемости, обычно применяют гипс.

4CaO*Al₂O₃*Fe₂O₃ – четырехкальциевыйалюмоферрит (C₄AF) 5-20 – целит. По скорости гидратации алюмоферритная фаза является промежуточной между алитом и белитом, и не оказывает влияния на скорость твердения.

Кроме этого – стекловидная масса, преставляющая собой эвтектический раствор, из которого не успели выделиться кристаллы ввиду быстрого охлаждения цементного клинкера (5-12%) .Состоит из невыкристаллизовавшихся ферритов, алюминатов, двухкальциевого силиката и др.

Добавки к портландцементу:

Гипс СaSO₄∙2H₂O (3-6%), регулирующий скорость схватывания и улучшающий некоторые другие свойства цемента. При В/Ц более 0,4 и пониженных температурах гипс ускоряет схватывание. При повышенных температурах добавка гипса должна быть меньше или вообще отсутствовать.

Кроме гипса, в состав ТПЦ вводят иные добавки, инертные и активные с целью увеличения валового производства ТПЦ. К инертным материалам относят: известняк и кварцевый песок (до 10% по массе), которые улучшают подвижность, но ухудшают седиментационную устойчивость раствора. При повышенных температурах инертные добавки могут стать активными, поэтому их введение во многие цементы не допускается. Активные добавки взаимодействуют с минералами портландцемента или продуктами их гидратации, т.е. являются частью вяжущего. К активным добавкам относятся

Природные, которые в свою очередь делятся на: осадочного и вулканического происхождения:

Добавки осадочного происхождение (не более 10%).

· Диатомиты – горные породы, состоящие из микроскопических панцирей диатомовых водорослей

· Трепелы – горные породы, состоящие из округлых зерен

· Опоки – диатомиты и трепелы (эти три добавки содержат оксид кремния в аморфном состоянии)

· Глиежи – породы, образующиеся при природном обжиге глины (подземные пожары и т.п.)

Добавки вулканического происхождение (не больше 20%)

Пеплы, туфы, пемзы, трассы.

Искусственные или добавки техногенного происхождения:

· Кремнеземистые отходы – после извлечения алюминия из глины

· Обожжённые глины – искусственный обжиг глиняных пород и самовозгорания в отвалах шахтных пород

· Топливные золы и шлаки – сжигание некоторых видов углей, где преобладают кислотные оксиды

· Доменные гранулированные и электротермофосфорные шлаки.

Органические добавки (поверхностно-активные вещества) :

Гидрофильно-пластифицирующие – добавки, повышающие смачиваемость цементного порошка водой, состоящие в основном из кальциевых солей, лигносульфоновых кислот с примесью редуцирующих и минеральных веществ. Содержание этих добавок в портландцементах до 0,3% по массе вяжущего вещества.

Гидрофобно-пластифицирующие – добавки, понижающие смачиваемость цементного порошка водой, в качестве таких добавок применяют такие, как:

Мылонафт — мазеобразное вещество, состоящее преимущественно из натриевых солей нерастворимых в воде органических кислот, извлекаемых из отходов щелочной очистки керосиновых, соляровых и других дистиллятов нефти.

Асидол — густая жидкость, смесь нефтяных кислот, извлекаемых из щелочных отходов, образовавшихся при очистке масляных и соляровых дистиллятов нефти.

Асидол-мылонафт — мазеобразное вещество, смесь свободных нерастворимых в воде нефтяных кислот и их натриевых солей.

ГКЖ-94— полиэтилгидросилоксан, также кремнийорганическое вещество. Обычно они поступают потребителям в виде водной эмульсии. Порошковидные материалы имеют обозначение ГКП.

Гидрофобные добавки вводят в количестве 0,06—0,3 % по массе цемента, считая на сухое вещество

При вводе активных добавок увеличивается седиментационная и коррозионная устойчивость, но ухудшается его подвижность и сохранность.

Механизм твердения

В настоящее время процесс твердения цемента наиболее часто описывают теорией русского ученого А.А. Байкова. Эта теория в известной мере обобщает теории Ле-Шателье и Михаэлиса, и, согласно ей, процесс твердения можно разделить на три периода. На первом периоде гидратация идет через раствор (по Ле-Шателье, однако этот процесс протекает медленно и существенной роли по крайней мере в ранние сроки твердения не играет.

На втором периоде происходит непосредственное присоединение воды к твердой фазе путем топохимических реакций, и накопление гелевой массы гидратных новообразований приводит к схватыванию системы. Третий период соответствует образованию кристаллического «сростка» в основном за счет перекристаллизации гелевых частиц и их срастания, а также присоединения к ним кристаллов, образовавшихся на первом периоде, что в конечном итоге приводит к твердению системы. Следует подчеркнуть, что, согласно А.А. Байкову, все три периода идут параллельно во времени.

Технология и материалы цементирования скважин в условиях аномально низких пластовых и аномально высоких давлений (АНПД и АВПД)

Никитина И., Панова Е., Кондратюк А., Уколов И.

Крепление скважин

КРЕПЛЕНИЕ СКВАЖИН — процесс укрепления стенок буровых скважин обсадными трубами и тампонажным раствором. Наиболее распространено крепление скважин последовательным спуском и цементированием направляющей колонны, кондуктора, промежуточной и эксплуатационных колонн

Обсадные колонны

Обсадная колонна - это свинченные друг с другом и опущенные в ствол обсадные трубы с целью изоляции слагающих ствол горных пород. Различают первую обсадную колонну - кондуктор, последнюю обсадную колонну - эксплуатационную колонну, в том числе хвостовик, промежуточные обсадные колонны, в том числе летучки (лайнеры).

Обсадные колонны предназначены для изоляции стенок скважин от рабочего пространства ствола в процессе бурения и эксплуатации и обеспечивают требуемую прочность и герметичность при воздействии на них внутренних и внешних воздействий в первую очередь давления. Для создания необходимой изоляции кольцевого пространства, остающегося между обсадными колоннами, оно заливается жидким цементным раствором, твердеющим через определенное время.

Обсадные колонны по назначению подразделяются следующим образом.

Направление - первая колонна труб или одна труба, предназначенная для закрепления приустьевой части скважин от размыва буровым раствором и обрушения, а также для обеспечения циркуляции жидкости. Направление, как правило, одно. Однако могут быть случаи крепления скважин двумя направлениями, когда верхняя часть разреза представлена лессовыми почвами, насыпным песком или имеет другие особенности. Обычно направление спускают в заранее подготовленную шахту или скважину и бетонируют на всю длину. Иногда направление забивают в породу, как сваю.

Различают шахтное (или шахтовое) направление и удлиненное направление. Шахтное устанавливается, как правило, во всех случаях и его длина составляет 3-10 м. В зависимости от конкретных условий может устанавливаться удлиненное направление или от одного до нескольких направлений и в этом случае длина может достигать 100 м. Направление спускается по возможности в глинистый пласт. Диаметр колонны колеблется от 245 до 1250 мм. Трубы, используемые в качестве направления, на прочность не рассчитываются и не опрессовываются.

Кондуктор - колонна обсадных труб, предназначенных для разобщения верхнего интервала разреза горных пород, изоляции пресноводных горизонтов от загрязнения, монтажа противовыбросового оборудования и подвески последующих обсадных колонн.

Кондуктор в зависимости от геологических условий устанавливается на глубину в среднем до 100 м, а максимальная глубина до 600 м. Диаметр кондуктора, как правило, колеблется в диапазоне 177-508 мм. Он опрессовывается, как и цементное кольцо.

Шахтное направление и кондуктор являются обязательными элементами конструкции скважины.

Промежуточная обсадная колонна (их может быть несколько) служит для разобщения несовместимых по условиям бурения зон при углублении скважины до намеченных глубин.

Промежуточные обсадные колонны могут быть следующих видов:

• сплошные - перекрывающие весь ствол скважины от забоя до ее устья независимо от крепления предыдущего интервала;
• хвостовики - для крепления только необсаженного интервала скважины с перекрытием предыдущей обсадной колонны на некоторую величину;
• летучки - специальные промежуточные обсадные колонны, служащие только для перекрытия интервала осложнений и не имеющие связи с предыдущими или последующими обсадными колоннами.

Секционный спуск обсадных колонн и крепление скважин хвостовиками являются, во-первых, практическим решением проблемы спуска тяжелых обсадных колонн и, во-вторых, решением задачи по упрощению конструкции скважин, уменьшению диаметра обсадных труб, зазоров между колоннами и стенками скважины, сокращению расхода металла и тампонирующих материалов, увеличению скорости бурения и снижению стоимости буровых работ.

На практике в глубокие скважины обычно спускают несколько обсадных колонн, которые различаются по назначению и глубине спуска:

1 - направление - служит для закрепления устья скважины и отвода изливающегося из скважины бурового раствора в циркуляционную систему, обычно спускается на глубину 3 - 10 м;

2 - кондуктор - устанавливается для закрепления стенок скважины в интервалах, представленных разрушенными и выветрелыми породами, и предохранения водоносных горизонтов - источников водоснабжения от загрязнения, глубина спуска до нескольких сот метров;

3 - промежуточная колонна - служит для изоляции интервалов слабосвязанных неустойчивых пород и зон поглощения; промывочной жидкости; глубина спуска колонны зависит от местоположения осложненных интервалов;

Промежуточные обсадные колонны могут быть следующих видов:

• сплошные - перекрывающие весь ствол скважины от забоя до ее устья независимо от крепления предыдущего интервала;
• хвостовики - для крепления только необсаженного интервала скважины с перекрытием предыдущей обсадной колонны на некоторую величину;
• летучки - специальные промежуточные обсадные колонны, служащие только для перекрытия интервала осложнений и не имеющие связи с предыдущими или последующими обсадными колоннами.

4 - эксплуатационная колонна - образует надежный канал в скважине для извлечения пластовых флюидов или закачки агентов в пласт; глубина ее спуска определяется положением продуктивного объекта..

Башмак.Представляет собой толстостенный патрубок, предназначенный для предотвращения смятия колонны при посадке ее забой. Направляющая пробка (изготовляемая из легко разбуриваемого материала) крепится книзу и предназначена для направления колонны при ее спуске. В башмаке имеется отверстие для выхода бурового и цементного раствора.

Обратный клапан. Ставится над башмаком для предотвращения поступления бурового или цементного раствора обратно в колонну.

Упорное кольцо – ставится над обратным клапаном для посадки цементировочной пробки и получения сигнала об окончании процесса цементирования.

Оборудование на наружной поверхности – скребки, турбулизаторы, центраторы. Центраторы предназначены для обеспечения концентричного размещения обсадной колонны в скважине (с целью равномерного заполнений буровым раствором) и избегания присадок обсадной колонны в скважине. Турбулизаторы – для завихрения цементного раствора с целью его лучшего схватывания, скребки устанавливают для удаления глинистой корки в интервалах залегания проницаемых пластов.

Эксплуатационная колонна - последняя колонна обсадных труб, которой крепят скважину для разобщения продуктивных горизонтов от остальных пород и извлечения из скважины нефти или газа или для нагнетания в пласты жидкости или газа. Иногда в качестве эксплуатационной колонны может быть использована (частично или полностью) последняя промежуточная колонна.

Технологическая оснастка обсадной колонны состоит из следующих элементов:

-центратор

-турбулизатор

- скребки

Цементирование скважины

Цементирование скважины — процесс, который следует сразу после окончания буровых работ. Процедура цементирования заключается в том, что в затрубное или межтрубное (в случае если обсадная труба помещена в свою очередь в полиэтиленовую более широкую трубу) вводится цементный раствор, который со временем затвердевает, образуя монолитный ствол скважины.

На современном уровне технология цементирования включает систему отработанных норм и правил выполнения цементировочных работ, а также типовые схемы организации процесса цементирования. В каждом конкретном случае технологию цементирования уточняют в зависимости от конструкции и состояния ствола скважины, протяженности цементируемого интервала, горно-геологических условий, уровня оснащенности техническими средствами и опыта проведения цементировочных работ в данном районе.

Применяемая технология должна обеспечить:

· цементирование предусмотренного интервала по всей его протяженности;

· полное замещение промывочной жидкости тампонажным раствором в пределах цементируемого интервала;

· предохранение тампонажного раствора от попадания в него промывочной жидкости;

· получение цементного камня с необходимыми механическими свойствами, с высокой стойкостью и низкой проницаемостью; обеспечение хорошего сцепления цементного камня с обсадной колонной и стенками скважины

Способы цементирования скважин:

· сплошное или одноступенчатое;

· двухступенчатое;

· манжетное;

· обратное.