Способи первинного цементування свердловин

Під час будівництва нафтових і газових свердловин застосову­ють декілька способів первинного цементування: одноступеневе (одним заходом), ступеневе, манжетне, цементування хвостовиків і секцій обсадних колон. При застосуванні цих способів цементний розчин закачується в обсадну колону і протискується в кільцевий простір через торець колони (одноступеневе цементування) або спочатку через торець, а потім через спеціальну муфту, що вста­новлена вище (двоступеневе цементування). При вказаному на­прямку руху цементного розчину способи цементування назива­ють прямими. Якщо напрямок руху розчину протилежний, то такий спосіб цементування називають зворотним.

Одноступеневе цементування є одним з найбільш поширених спо­собів первинного цементування (рис. 1).

Рисунок 1 – Схема одноступеневого цементування:

І — початок закачування цементного розчину; II — початок протискування

цементного розчину; III — початок виходу цементного розчину в затрубний простір; IV — кінець протискування цементного розчину

Після промивання свердловини в обсадну колону 8 вводять ниж­ню цементувальну (розділювальну) пробку 7 з прохідним каналом, який тимчасово перекритий діафрагмою. На верхній кінець обсадної колони нагвинчують цементувальну головку з нижнім 1 і верхнім 2 відводами. Між цими відводами в корпусі головки роз­міщується верхня цементувальна пробка 5, яка утримується стопор­ним гвинтом 6. Цементувальна головка закривається кришкою 4, на якій монтується манометр 3.

Через нижні відводи цементувальної головки насосами ЦА по­чинають закачувати цементний розчин, який готують з допомогою цементо-змішувальних машин.

Після того, як необхідний об'єм цементного розчину 11 закача­ний в колону, звільняють верхню пробку, викручуючи стопорний гвинт. Протискування цементного розчину починають через верхній відвід 2, щоб протиснути верхню пробку в обсадну колону. В про­цесі руху цементного розчину нижня пробка дійде до упорного кільця 9 і зупиниться на ньому. Тиск в колоні при цьому зростає до величини, достатньої для руйнування діафрагми, що закривала прохідний канал в пробці, і цементний розчин через нижній торець колони поступає в заколонний простір.

Коли до посадки верхньої пробки на нижню залишається зака­чати 1-2 м³ протискувальної рідини 12, переходять на закачування одним ЦА на пониженій, як правило, першій швидкості. Це потріб­но для того, щоб в момент сходження пробок тиск на цементу­вальній головці не перевищив допустимої величини. Під час плавної посадки верхньої пробки на упорне кільце стрибок тиску незнач­ний, але достатній для того, щоб зафіксувати кінець протискуван­ня і відключити ЦА.

Нижня пробка призначена для попередження змішування пер­шої порції тампонажного розчину з промивальною рідиною 13, а також для зняття плівки промивальної рідини з внутрішньої по­верхні обсадної колони.

Верхня пробка розділяє останню порцію тампонажного розчину від протискувальної рідини, а також дозволяє зафіксувати завершен­ня процесу цементування. Під час цементування глибоких сверд­ловин сигнал про сходження пробок поступає на поверхню із запіз­ненням на декілька секунд, що може спричинити зростання тиску до небезпечної величини. Щоб уникнути цього, на деякій відстані (40—50 м) над упорним кільцем встановлюється сигнальне кіль­це, крізь яке вільно проходить нижня пробка. Верхня пробка зупиняється на сигнальному кільці, що викликає імпульс тиску, достатній для зрізання шпильок, які закріплюють кільце. Після цього рух рідини деякий час ще триває, а імпульс тиску, який за цей час дійде до поверхні, служить сигналом для зупинки насосів. Зворот­ний клапан 10 запобігає зворотному надходженню цементного роз­чину в колону після закінчення протискування.

Конструктивні особливості цементувальних головок, дають їм наступні переваги:

o надійне вирівнювання тиску в порожнинах корпусу головки вище і нижче за роздільну пробку;

o отримання сигнальної інформації про початок руху пробки в головці після звільнення її фіксатора;

o швидке і полегшене зняття кришки головки за допомогою власного вмонтованого в неї знімача, що долає перепад атмосферного тиску над вакуумом в колоні над стовпом тампонажного розчину;

промивку нагнітальних ліній від цементу без від'єднання їх від головки.

Всі головки комплектуються перехідниками для з'єднання з цементованою колоною на короткому трикутному різьбленні, трапецеїдальному (ОТТМ або БТС - аналог різьблення Батрес), а також високогерметичної (газощільної) різьби ОТТГ по ГОСТ 632-80 діаметром від 114 до 340 мм, а полегшені головки типу ГЦО діаметром від 102мм і менш виготовляються з різьбовими з'єднаннями для гладких насосно-компресорних труб і гладких високогерметичних труб НКМ. За бажанням споживача перехідники можуть бути виконані з проушинами для полегшення і прискорення роботи з ними. Тип ГЦУ А - з фіксацією пробки гвинтовими стопорами; Тип ГЦУ - з п'ятьма під'єднувальними лініями і з використанням двох і трьох умовних розмірів розділових пробок; Тип ГЦУ 146х400 - з розміщенням манометра з роздільником рідин на трійнику, під'єднувальному до нижнього бічного відведення; Тип ГЦУ 146х400 ССЦ-ЕЕ - з додатковим гвинтовим фіксатором для утримання кулі нижче за нижні бічні відведення. Головки типу ГЦО і ГЦУ умовних розмірів 102, 114 і 127 мм мають всього два бічні відведення і одинарний гвинтовий стопор. У типорозмірах ряду головок типу ГЦУ від 102 до 245 мм робочий тиск від 40 до 32 МПа, а в ряду від 273 до 340 мм - від 25 до 10 МПа.

Ступеневе цементування застосовують у випадках:

o якщо величина очікуваного тиску в свердловині у разі цемен­тування одним заходом може перевищити тиск поглинання;

o якщо очікуваний робочий тиск на усті у разі цементування одним заходом перевищує технічні можливості ЦА;

o коли цементування одним заходом неможливе з організацій­но-технічних причин (потрібна надто велика кількість цементуваль­ного обладнання, обмежена площа за умов морського буріння тощо);

o коли необхідно використати цементні розчини, різні за скла­дом і властивостями;

o коли між зонами цементування потрібно залишити незаце-ментовану дільницю.

Практичне застосування знайшов тільки двоступеневий спосіб цементування. У разі застосування цього способу інтервал цементу­вання поділяють на дві частини. До оснастки обсадної колони включають муфту ступеневого цементування (МСІД), місце розта­шування якого вибирають із таким розрахунком, щоб вона розділяла інтервал цементування на дві частини (місце розташування МСЦ визначають згідно з методикою, яка буде розглянута нижче).

Існує декілька конструкцій МСЦ. Одна з них, типу МСЦ-2 (рис. 10.2), складається з циліндричного корпусу з різьбою на кін­цях для з'єднання з обсадними трубами. На зовнішній поверхні корпусу муфти змонтована кільцева заслінка 3, яка зафіксована каліброваним гвинтом. Всередині корпусу знаходяться дві втулки: верхня і нижня. Верхня втулка 6 з'єднана з кільцевою заслінкою з допомогою сухарів 4, які можуть пересуватися вниз по пазах 5.

Нижня втулка зафіксована в корпусі каліброваним гвинтом 9. Вона перекриває циркуляційні отвори 8, просвердлені в корпусі муф­ти. Такі ж самі отвори просвердлені в кільцевій заслінці, і коли вона зафіксована в корпусі, її отвори збігаються з отворами остан­нього (позиція І). Для герметизації контакту втулок і заслінки з корпусом муфти на них в кільцевих канавках встановлені ущіль­нювальні кільця.

Рисунок 2 – Схеми роботи муфти ступеневого цементування:

І — протискування цементного розчину першого ступеня; II — відкриття циркуляційних отворів; III — закриття циркуляційних отворів;

1 — корпус МСЦ; 2 — зрізний гвинт заслінки; З — кільцева заслінка; 4 — сухар; 5 — паз; 6 — верхня втулка; 7 — нижня втулка; 8 — циркуляційний отвір; 9 — зрізний гвинт втулки; 10 —упорне кільце; 11 — верхня протискувальна пробка першого ступеня; 12 — скидна пробка першого ступеня; 13 — запірна пробка другого ступеня

В позиції І елементи муфти знаходяться в процесі спуску обсадної колони. Під час цементування першого ступеня в колону закачують спочатку буферну рідину, а потім цементний розчин в кількості, достатній для його підйому дещо вище місця розта­шування МСЦ.

Після закачування тампонажного розчину першого ступеня в ко­лону вкладають пробку 11 і слідом за нею закачують протискувальну рідину. Протискувальна пробка 11 виготовлена з еластичного ма­теріалу і проходить крізь втулки МСЦ без помітного підвищення тиску в колоні.

Нижня частина обсадної колони обладнана так само, як і у разі цементування одним заходом, і закінчення процесу цементування відбувається аналогічно.

Коли пробка 11 дійде до упорного кільця і процес протиску­вання цементного розчину першого ступеня буде завершено, при­ступають до цементування другого ступеня. В колону з устя пус­кають пробку 12, яка під дією власної ваги опускається в рідині із швидкістю від 0,5 до 1,2 м/с до посадки на сідло нижньої втулки 7. Після того, як пройде час, достатній для посадки пробки на сідло, включають насоси і створюють над пробкою перепад тиску в межах 4—8 МПа. При цьому зрізаються стопорні гвинти, втулка перемі­щується вниз і відкриває циркуляційні отвори 8 (позиція II). Через ці отвори встановлюють циркуляцію і вимивають надлишки цемент­ного розчину першого ступеня вище МСЦ. В подальшому можливі два варіанти технології цементування: без розриву в часі, при якому зразу приступають до закачування другої порції цементного розчи­ну, і з розривом в часі, при якому закачування цементного розчину другого ступеня розпочинають після затужавійня цементного роз­чину першого ступеня. Кожен з цих варіантів має свої переваги і недоліки, які розглянуті нижче.

Цементування другого ступеня розпочинають із закачування в колону буферної рідини і цементного розчину. Після цього вставля­ють в колону запірну пробку 13 і закачують за нею протискувальну рідину. Під час руху по колоні пробка 13, так само як і пробка 11, щільно контактує своїми еластичними манжетами із стінками об-садних труб, попереджуючи змішування протискувальної рідини з цементним розчином. В момент посадки запірної пробки на сідло верхньої втулки під дією перепаду тиску біля 3—5 МПа зрізають­ся гвинти 2 і верхня втулка разом з кільцевою заслінкою опуска­ються вниз, щільно перекриваючи з двох боків циркуляційний отвір в корпусі МСЦ (позиція III).

На цьому цементування другого ступеня закінчують.

МСЦ має забезпечити герметичне розділення внутрішнього і зовнішнього простору обсадної колони і після розбурювання вту­лок. Для цього її слід встановити на 50—100 м вище башмака по­передньої колони або в інтервалі стійких, непроникних порід і центрувати колону зверху і знизу муфти з допомогою центруючих пристроїв.

Ступеневе цементування з розривом в часі дає можливість змен­шити гідростатичний тиск на пласти, оскільки після затужавіння цементного розчину першого ступеня гідростатичний тиск стов­па цементного розчину другого ступеня буде сприйматися затужаві­лим стовпом цементного розчину першого ступеня. Отже цементування з розривом в часі застосовують тоді, коли існує небезпека гідророзриву пластів та інтенсивного поглинання рідин. Але цього можна досягти і в разі ступеневого цементування без розриву в часі, якщо в місці розташування МСЦ встановити заколонний пакер, який сприйняв би на себе тиск стовпа це­ментного розчину другого ступеня, що доз­воляє скоротити тривалість процесу цемен­тування колони і знизити вартість цементу­вальних робіт.

Манжетне цементування засто­совується в тому випадку, коли нижня частина обсадної колони навпроти продуктивного об’єкта спу­щена у вигляді фільтра. Цементування колони проводиться тільки в надфільтровій частині, що дозволяє уникнути забруднення про­дуктивної зони цементним розчином. В газових свердловинах для більшої надійності замість манжети на обсадній колоні встановлюють зовнішній пакер.

Рисунок 3 – Технологічна схема кріплення свердловини, при манжетному цементуванні:

1 - верхня цементувальна пробка, 2 - колона транспортування, 3 - роз'єднувальний вузол, 4 - безпечний перехідник, 5 - якірний вузол, 6 - пакерний вузол, 7 - центратор, 8 - стоп-кільце, 9 - зворотній клапан,
10 - перфорований патрубок, 11 - перехідник манжетний,
12 - фільтр, 13 – глухий башмак.