§ 4. Цементирование обсадных колонн

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

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

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

Цемент, предназначенный для цементирования обсадной колонны, тщательно исследуют в лаборатории для выяснения его пригодности и уточнения рецептуры цементного раствора.

Качество цементного раствора в значительной мере зависит от содержания в нем воды. Излишек воды приводит к получению пористого и непрочного цементного камня. Недостаток воды в цементном растворе вызывает его быстрое схватывание, что затрудняет проведение цементирования обсадных колонн. , Для обеспечения нормальных условий цементирования обсадной колонны рекомендуется при приготовлении цементного раствора добавлять воды 40—50% от веса цемента, т. е. на каждые 100 т цемента приходится 40—50 т воды.

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

Качество цементирования обсадной колонны зависит также от начала и конца схватывания цементного раствора. Схватывание цементного раствора должно начинаться после окончания цементирования колонны. Время цементирования не должно превышать 75% от срока начала схватывания цементного раствора. Следует добиваться, чтобы разница во времени между началом и концом схватывания цементного раствора была небольшой.

Для цементирования обсадных колонн применяют следующие тампонажные цементы:

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

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

3) для глубоких скважин с температурой на забое 100— 120° С.

Цемент для «холодных» скважин, смешанный с пресной водой (50% от веса цемента), должен иметь начало схватывания от 3 до 7,5 ч с момента его затворения, конец схватывания — не более 3 ч после начала схватывания. Следовательно, при цементировании скважин с температурой на забое до 40° С необходимо закончить весь процесс цементирования не более чем за 2,5 ч (3 чХО,75 ч = 2,5 ч).

Цемент для «горячих» скважин, смешанный с пресной водой (50% от веса цемента), должен иметь начало схватывания от 1 ч 45 мин до 2 ч 45 мин после затворения, конец схватывания — не более 1 ч 30 мин после начала схватывания. Таким образом, процесс цементирования с температурой на забое до 75°С необходимо закончить за 1 ч (1,5 чX0,75 ч=1 ч).

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

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

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

Рис. 63. Цементосмесительная машина 2СМН-20

Рис. 64. Цементировочный агрегат ЗЦА-400

Подготовленный и проверенный в лаборатории тампонаж-ный цемент в необходимом количестве засыпают в специальные цементосмесительные машины (рис. 63) и отправляют на буровую. К этому времени туда же доставляют и цементировочные агрегаты (рис. 64). В комплект последних входят насосы с высокой подачей, способные создать необходимое давление для вытеснения из обсадной колонны в затрубное пространство цементного раствора.

Цементировочные агрегаты и цементосмесительные машины обвязываются трубопроводами друг с другом и с цементировочной головкой, установленной на обсадной колонне.

Перед началом цементирования скважину промывают до тех пор, пока плотность закачиваемой в нее жидкости не станет равной плотности жидкости, выходящей из скважины.

Наиболее распространены следующие способы цементирования обсадных колонн: одноступенчатый и двухступенчатый.

Одноступенчатый способ цементирования обсадных колонн (рис. 65) заключается в следующем. До закачки цементного раствора в обсадную колонну опускают нижнюю цементировочную пробку (рис. 66, с), предназначенную для отделения цементного раствора от находящейся в колонне промывочной жидкости. Нижняя пробка 2 (см. рис. 65 а) имеет отверстие, перекрытое резиновой перепонкой. После этого на колонну навинчивают головку 1 с верхней цементировочной пробкой (см. рис. 66,6), не имеющей сквозного отверстия.

Рис. 65. Стадии одноступенчатого цементирования:

/ — головка; 2 — нижняя пробка; 3 — упорное кольцо; 4 — верхняя пробка; 5 — цементный раствор

Затем цементный раствор закачивают в обсадную колонну. Потребный объем этого раствора определяется исходя из условия, чтобы к концу цементирования в обсадной колонне осталась небольшая порция цементного раствора (цементный стакан), а за обсадной колонной цементный раствор поднялся на заданную высоту. После окончания закачки цементного раствора в обсадную колонну проталкивают верхнюю (без отверстия) цементировочную пробку 4 (рис. 65, б) и вслед за ней прокачивают промывочную жидкость.

Когда нижняя пробка дойдет до упорного кольца (см. рис. 65, в), она остановится. Давление над пробкой повысится и резиновая перепонка лопнет. При дальнейшей закачке промывочной жидкости в колонну верхняя пробка подойдет к нижней и закроет отверстие в ней (см. рис. 65, г). Возникнет гидравлический удар. Манометр на цементировочной головке зафиксирует резкое повышение давления.

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

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

Рис. 66. Цементировочные пробки для одноступенчатого цементирования: а — нижняя; б — верхняя

Заливочные муфты могут иметь различную конструкцию. Одна из них приведена на рис. 67. Обсадные -трубы свинчиваются друг с другом при помощи удлиненной муфты 4 с отверстиями /. Внутрь муфты вставлен передвижной цилиндр 2, временно закрепленный медными шпильками 5. На нижнем конце передвижного цилиндра устанавливается упорное кольцо 3.

Независимо от конструкции заливочной муфты сущность способа двухступенчатого цементирования заключается в следующем. Обсадную колонну с башмаком, башмачным патрубком, обратным клапаном (если он необходим) и заливочной муфтой спускают в скважину. После подготовки скважины к цементированию в нее закачивают первые порции цементного раствора и продавочной жидкости, а затем спускают нижнюю цементировочную пробку (рис. 68, а). За нижней пробкой закачивают вторую порцию цементного раствора и спускают вторую (верхнюю) цементировочную пробку. Затем в скважину закачивают вторую порцию продавочной жидкости (рис. 68, б).

В процессе закачивания жидкости первая (нижняя) пробка доходит до упорного кольца 3 (см. рис. 67) в заливочной муфте, садится на него и срезает медные шпильки 5. Передвижной цилиндр освобождается, перемещается до упора вниз и открывает отверстия / в удлиненной муфте 4.

К этому моменту заканчивается продавка в затрубное пространство через башмак колонны первой (нижней) порции цементного раствора и начинается вытеснение за колонну через отверстия в заливочной муфте второй (верхней) порции цементного раствора.

Продавка за колонну второй порции цементного раствора заканчивается посадкой верхней пробки на нижнюю (рис. 68, е).

После твердения цементного раствора разбуривают обе пробки в заливочной муфте и, если это требуется, разбуривают обратный клапан и цементный стакан в нижней части колонны.

Мы рассмотрели двухступенчатый метод цементирования с применением двух цементировочных пробок, ограничивающих вторую порцию цементного раствора. Иногда применяется двухступенчатое цементирование с четырьмя пробками, когда каждая пара пробок ограничивает обе порции цементного раствора. В этом случае процесс цементирования аналогичен описанному. Разница состоит только в том, что при двухступенчатом цементировании с четырьмя пробками нижняя часть обсадной колонны оборудуется так же, как и при одноступенчатом цементировании.

Описанные методы цементирования обсадных колонн, обеспечивающие перекрытие цементным раствором затрубного пространства от башмака колонны и выше, удовлетворяют условиям цементирования кондукторов и промежуточных колонн, но не всегда могут быть применены при цементировании экс-

плуатационных колонн. Иногда целесообразно не цементировать затрубное пространство, расположенное против нефтеносного пласта, а осуществлять подъем цементного раствора над его кровлей. В этом случае применяется манжетное цементирование.

При этом способе нижняя часть эксплуатационной колонны, длина которой равна мощности продуктивного пласта, состоит из перфорированных обсадных труб. Над перфорированным участком в колонне устанавливают прямой клапан, а несколько выше — специальную заливочную муфту. Снаружи, несколько выше прямого клапана, устанавливается брезентовая манжета, которая при вытеснении цементного раствора из колонны через отверстия в заливочной муфте прижимается плотно к стенке скважины, препятствуя движению цементного раствора по за-трубному пространству вниз.