Мясникова Г.П.

Совместимость растворов — ключ к повышению качества строительства скважин. /Авт.: Л.Фрейзер, Б.Стэнджер, Т.Гриффин и др. — Нефтегазовое обозрение. — Шлюмберже. — 1997. — № 2. — С.4-21.

Успешное проведение поисковых, разведочных и эксплуатационных работ на нефть и газ во многом зависит от качества цементирования скважин, улучшение которого, как считают специалисты США и Канады, возможно только при совместной работе буровиков и тампонажников и связано оно, прежде всего, с эффективным вытеснением бурового раствора из пространства между обсадной колонной и стволом скважины.

Для лучшего вытеснения рекомендуется начинать с оптимизации буровых растворов, которые должны обладать: низкой плотностью, пониженными статическими напряжениями сдвига, пластической вязкостью и пределом текучести, минимальной водоотдачей, препятствующей образованию корок, и быть химически совместимыми с цементными растворами. Изменение геометрии ствола, размывы нарушают режим потоков жидкостей и в результате приводят к некачественному цементированию. Важен эффективный химический контроль за твердыми фракциями и реологией раствора в течение всего процесса бурения. Сгустившийся буровой раствор может попасть в каверну и его будет трудно удалить (рис.1). Для сведения: к минимуму «кавернозности» ствола разработан буровой раствор, представляющий собой смесь гидроокисей металлов (ММН) с уникальной реологией.

При промывке скважины, кроме общих требований по оптимизации бурового раствора, рекомендуется проводить вращательные или возвратно-поступательные движения трубы; учитывать фактор эксцентричности колонны и промывку вести как минимум двойного объема ствола.

Перемешивание бурового и цементного растворов способствует образованию смеси высокой вязкости и неэффективному вытеснению бурового раствора. Жидкости химической промывки и буферные жидкости могут изолировать эти несовместимые растворы. Чтобы избежать их смешения, можно разделить растворы в обсадной колонне и хвостовиках цементировочными пробками. Буферные жидкости используют для более эффективного удаления бурового раствора как при турбулентном, так и ламинарных потоках. Разработаны рецептуры для низко- и высокоминерализованной среды.

Буферные жидкости должны: сохранять утяжеляющие агенты во взвешенном состоянии, обеспечивать нормальную подачу насосов при турбулентном режиме, обладать низкой водоотдачей, регулируемостью вязкости и плотности при ламинарном потоке, совместимостью с цементными и буровыми растворами. При повышенной водоотдаче может произойти прорыв буферной жидкости через буровой раствор (см.рис.1).

 

Рис.1а. Традиционные проблемы цементажа (красный цвет), связанные с бурением, удалением бурового раствора и его вытеснением

 

Рис.1б. Традиционные проблемы цементажа (красный цвет), связанные с бурением, удалением бурового раствора и его вытеснением

 

Разработаны новые буферные жидкости, такие как MUDPUSH (до t1500 на забое), XEO на основе модифицированного полимера и водонефтяной эмульсии, которую можно использовать при t до 2320 и только для удаления бурового раствора на углеводородной основе.

Наиболее трудно удаляется буровой раствор, находящийся на узкой стороне эксцентричного затрубья. Для того чтобы раствор продвигался по узким зазорам, предел текучести раствора должен быть меньше напряжения сдвига на стенках.

При проектировании работ эксцентричность буровой колонны часто не учитывается, несмотря на то, что она является причиной каналообразования и неудач при первичном цементировании. С помощью компьютерной программы CemCADE предлагается вести расчет циркуляции бурового раствора, процессов вытеснения в затрубье и получать рекомендации по цементированию с учетом фактической геометрии скважины, центровки обсадной колонны и реологии растворов. Увеличивающаяся эксцентричность колонны улучшает вытеснение бурового раствора и ввод цементного; скорость вытеснения имеет значение для эффективного удаления бурового раствора в турбулентном потоке.

Рекомендуется использовать максимальный объем химической промывки или буферной жидкости. Одновременное использование умеренных объемов жидкостей химической промывки с буферными уменьшает вязкость бурового раствора и это лучше, чем использование только буферных жидкостей. Рассматриваются дизайны вытеснения бурового раствора с помощью буферных жидкостей и цементного раствора в турбулентном и ламинарном потоках. Критерии турбулентного потока для удаления бурового раствора из затрубья требуют турбулентности вокруг всего затрубного пространства, включая его узкую сторону, 10-минутного контакта жидких растворов предварительной промывки с пластом и близких значений плотности у растворов. Для эффективного ламинарного потока необходимы: положительные плотностные контрасты (10%) растворов, минимальный градиент давления для преодоления предела текучести буровых растворов, положительные реологические свойства для поддержания возрастающего давления трения и минимальная дифференциация скоростей растворов. Градиент давления обеспечивает продвижение буровых растворов по узкому зазору затрубья, и он должен быть создан до начала цементирования при промывке ствола буровым раствором. Разность между значениями давления трения бурового и цементного растворов должна быть около 20%. Для соблюдения этого условия необходимо изменить реологические свойства растворов – уменьшить до min предел текучести бурового раствора, его плотность, содержание в нем твердых фракций до начала цементации либо повысить вязкость, предел текучести буферной жидкости и цементного раствора. Все это позволит снизить возможность прорыва одной жидкости сквозь другую. Важна дифференциация скоростей растворов. Например, в ламинарном потоке скорость замещающего раствора должна быть ниже скорости замещаемого.

Увеличение плотности каждого последующего замещающего раствора намного улучшает удаление бурового раствора и сводит к минимуму каналообразование. Чем больше разница в плотностях, тем лучше эффективность вытеснения. Более вязкие растворы обеспечивают более устойчивое вытеснение менее вязких.

Показано преимущество использования цементировочных головок нового поколения EXPRES (рис.2). Модульная конструкция, быстросоединяемые замки, возможность дистанционного управления способствуют улучшению оптимизации бурового раствора до начала цементажа и обеспечивают уникальную возможность запуска пробок на лету.

 

Рис.2. Цементировочная головка EXPRES. Система экструзивного освобождения пробки улучшает прокачку бурового раствора и его оптимизацию, качество цементажа и, кроме того, повышает безопасность работ под высоким давлением. Пробки удерживаются в камере под головкой внутри обсадной колонны с тем, чтобы цементировочные растворы могли эту камеру обтекать. Пробки запускаются с помощью гидравлического толкателя под усилием 907 кг, что сводит к минимуму возможность преждевременного или случайного освобождения пробки. Предохранительный зажим удерживает пробку до начала последнего хода толкателя.

При вытеснении растворов при цементировании может происходить их перемешивание, что приводит к катастрофическим последствиям. Загрязнение цемента меняет его реологию, сокращает время схватывания или ведет к частичному отсутствию отвердевшего цемента, низкой прочности цементного камня или к плохому сцеплению цемента в подошве. Эффективность вытеснения улучшается по мере увеличения разницы в скоростях потока и пределе текучести между верхними и нижними растворами. С увеличением диаметра труб эффективность вытеснения снижается.

Механическое разделение у каждой границы раздела растворов является единственным способом прохождения «нужных» растворов из обсадной колонны в затрубье. Рекомендуется всегда использовать нижние пробки, когда это возможно, а в особо критических ситуациях устанавливать их на каждой границе раздела.

Как отмечают авторы, «хорошее бурение не предопределяет успешность цементирования, а плохое бурение может привести к невозможности успешного цементажа».

Компания Шлюмберже рекомендует обучение персонала от руководителей до операторов на буровой для того, чтобы специалисты по разным растворам понимали нужды и намерения друг друга. Взаимное обучение должно дополняться созданием «растворно-технологических групп» для оптимизации всех работ по растворам.