Высокое качество цементирования обсадных колонн включает два понятия: герметичность обсадной колонны и герметичность цементного кольца за колонной.
Качество крепления обсадных колонн в настоящее время определяется неоднозначно, а существующие методы оценки порой дают противоречивые и взаимоисключающие результаты.
Надежность разобщения пластов и крепи в значительной степени определяется геометрией затрубного сечения, последствиями физико-химического взаимодействия промывочной жидкости и горной породы, полнотой вытеснения бурового раствора тампонажным, а также свойствами фильтрационной корки.
Непрерывный однородный цементный камень должен сформироваться в небольшом, близком к кольцевому сечению зазоре протяженность несколько километров, что на практике реализовать практически невозможно, но любые технологии, направленные на решение этой задачи весьма актуальны и востребованы особенно в настоящее время, когда вырос объем горизонтального бурения и скважин сложного пространственного профиля.
Нами проанализировано влияние коэффициента кавернозности на гидравлические параметры цементирования скважины. На практике к сожалению, при расчете гидравлических параметров процесса цементирования, применяются усредненные значения коэффициента кавернозности (средневзвешенное значение диаметра скважины).
Расчетные схемы приведены на рисунке 1. Рисунок 1а показывает проектное решение (диаметры ствола скважины, конструкция транспортной бурильной колонны и обсадных труб) для цементирования на примере скважины №2701 Бованенковского НГКМ. Фактические результаты ГИС и фактическая конструкция скважины с учетом профиля ствола скважины показано на (схеме б). Перед креплением программа цементирования была уточнена по фактическим результатам, при этом (схема в) выполнили усреднение коэффициента кавернозности после интерпретации данных полученных в открытом стволе с профилемера. Видно, что коэффициент кавернозности меняется в широких пределах. При этом, течение жидкостей в переменных сечениях будет сопровождаться изменениями параметров режима течения (замещения) и поэтому напрашивается более детализированная разбивка на интервалы, где коэффициент кавернозности более-менее однороден. На (схеме г) показана такая интерпретация, где выделены шесть однородных интервалов.
Рисунок 1. Геометрия ствола скважины
По уточненным данным ГИС получилось расхождение с проектной расчетной схемой. Коэффициент кавернозности по проектному решению 1,05, по факту 1,102 и произошло изменение конструкции спускаемой колонны, что однозначно повлияет на режим цементирования и как результат на качество вытеснения бурового раствора цементным. Необходимо отойти от практики усреднения коэффициента кавернозности (расчет по средневзвешенному диаметру ствола). Разбивка открытого ствола на однородные участки это первый шаг к повышению качества тампонажных работ.
Изменение конфигурации ствола скважины приводит к изменению не только объема цементного раствора под каждую обсадную колонну, но также оставляет свой отпечаток на динамике неустановившегося процесса цементирования, когда расход на входе и на входе различный, а также в итоге приводит к изменению коэффициента вытеснения.
На кафедре бурения Ухтинского государственного технического университета Осиповым П. Ф. и Логачевым Ю. Л. разработаны методика и программа расчета гидравлического режима цементирования скважин [3,4]. Программа применялась для оценки качества замещения бурового раствора тампонажным при разработке программы цементирования эксплуатационного хвостовика диаметром 168 мм на эксплуатационной скважине №2701
 |
|
Рисунок 2. Эпюра распределения скоростей |
Бованенковского НГКМ.
Одной из основных задач при цементировании обсадных колонн является обеспечения качественной крепи, что обеспечивает, в первую очередь, полнота вытеснения промывочной жидкости из затрубного пространства тампонажным раствором. Для ее эффективного решения необходима методика прогнозирования степени замещения бурового раствора на стадии разработки проекта и возможность оптимизации гидравлической программы цементирования в конкретных горно-технических условиях.
Рассмотрим установившееся движение вязкопластичной жидкости в пространстве между двумя концентрично расположенными трубами [2].
На рисунке 2 показаны эпюры распределения скоростей и основные геометрические размеры колонны труб скважины. Решение уравнений динамического равновесия позволяют определить параметры потока при структурном (пробковом) режиме течения [2].
Возможность прогнозирования размера «ядра потока» и его положения в затрубье позволяет управлять его характеристиками и оценивать замещение.
Доля «ядра потока» в сечении характеризует полноту замещения при пробковом режиме цементирования. Расчет этого параметра и контроль в любой момент времени для текущего сечения, где происходит вытеснение бурового раствора, позволяет реализовать запланированный режим цементирования и тем самым управлять процессом замещения.
Определение доли ядра для труб:
Оценка размеров «ядра потока» в затрубном пространстве для промысловых условий Бованенковского НГКМ скважины №2701 куста №27, показана на рисунке 3 при различных расходах.Для управления процессом вытеснения предлагается показатель (Кя) поддерживать при «пробковом» режиме течения жидкости не менее 0,95…0,9.
Установлено, что для кольцевого пространства можно использовать для расчета Кя (формула 2) соотношение линейных размеров (разность радиусов ядра к диаметральному зазору) или соотношение площадей кольцевого ядра к сечению затрубного пространства. Результаты, полученные при их использовании, различаются не более чем на 1%. В трубах это свойство не выполняется.
Рисунок 3. Параметры потока в затрубном пространстве
Из рисунка видно, что при увеличении расхода жидкости диаметр «ядра потока» уменьшается. Уменьшение диаметра «ядра потока» влияет на качество замещения бурового раствора цементным. Следует отметить, что даже при критическом расходе для затрубного пространства Q=30 л/с относительный размер «ядра потока» линейное соотношение Кя=91,1%, а объемное Кя=91,0%. Т.е. турбулизация потока происходит сначала у границ потока (стенки скважины и стенки обсадной трубы) и далее при нарастании подачи на насосах развивается к центру сечения. При увеличении расхода центр «ядра» жидкости смещается в сторону обсадной колонны от середины сечения затрубного пространства. В данном случае это смещение незначительное, но это так же влияет на качество замещения бурового раствора цементным у стенки скважины.
Рисунок 4. Изменение ядра потока с увеличением расхода, при отношении (диаметр колонны к диаметру ствола скважины).
В расчетах принято условие — реологические характеристики цементного раствора принимались фиксированными не зависящими от температуры, времени и смешения с буровым раствором.
С увеличением диаметра скважины, доля уменьшается. Например, при критическом расходе для обсадной колонны 139,7 мм при диаметре ствола скважины 171,4 мм и 190,5 мм Кя, соответственно 93,2% и 88,8%.
При увеличении диаметра колонны при фиксированном диаметре скважины, доля ядра увеличивается. Например, при критическом расходе для диаметров обсадных колонн 146,1 мм, 168,3 мм и 177,8 мм при диаметре ствола скважины 215,9 мм — Кя, соответственно коэффициент заполнения составит 86%, 92,8% и 94,7%.
Рисунок 5. Изменение Кя для различных сечений затрубного пространства при Dскв= 215,9 мм
В таблице 1 представлены расчета «относительного размера ядра потока» (Кя) в процентах в скобках объемное значение, без скобок – линейное. На графике рисунок 5 представлено изменение этого параметра для различных обсадных труб при диаметре ствола скважины 215,9 мм, это изменение сильно заметно.
Таблица 1.
«Относительного размера ядра потока» (Кя)
| Диаметр обсадной колонны | 140 мм
(5 ½ in) |
146 мм
(5 ¼ in) |
168 мм
(6 2/3 in) |
178 мм
(7 in) |
| При Q=30 л/с | 81,44% /
(81,65%) |
86,94% /
(87,09%) |
90,97% /
(91,03%) |
92,25% /
(92,28%) |
| При Q=25 л/с | 83,14% /
(83,43%) |
88,87% /
(89,04%) |
92,34% /
(92,39%) |
93,46% /
(93,49%) |
| При Q=20 л/с | 85,73% /
(85,98%) |
90,77% /
(90,92%) |
93,72% /
(93,76%) |
94,67% /
(94,70%) |
Таким образом, одним из резервов повышения качества цементирования является отказ от усреднения геолого-физических данных при уточнении конфигурации ствола скважины перед цементированием колонны.
Установлено, что при увеличении диаметрального зазора в кольцевом пространстве происходит смещение центра «ядра потока» жидкости в сторону обсадной трубы. Для промысловых размеров скважины и труб это смещение незначительное.
Предлагается новый критерий «относительный размер ядра потока» (Кя), который косвенно оценивает полноту вытеснения и позволяет оперативно управлять процессом вытеснения.
Список литературы:
- Басарыгин, Ю. М. Заканчивание скважин. [Текст]: / Ю. М. Басарыгин, А. И. Булатов, Ю. М. Проселков // Недра. – 2000. – 486 с.
- Гукасов Н. А. Гидродинамика при креплении скважин. М., «Недра», 1976. 120 с.
- Проектирование гидравлического режима цементирования обсадных колонн в глубоких скважинах с учетом влияния «отрывного течения». Логачев Ю. Л., Осипов П. Ф. НТЖ, «Интервал» № 12 (47) – г. Самара, 2002.
- Проектирование гидравлического режима цементирования обсадных колонн в глубоких скважинах с учетом влияния «отрывного течения» в трубах. Логачев Ю. Л., Мальковская О. Н., Осипов П. Ф., НТЖ, «Разведка и охрана недр», № 7 Изд. Недра, 1996.[schema type=»book» name=»Оценка качества крепления ствола скважины при цементировании обсадных колонн в условиях изменения сечения ствола скважины» description=»В статье затрагиваются технологические аспекты цементирования скважин. Рассмотрены факторы влияющие на качество цементирования. Важнейшее условие обеспечения герметичности заколонно¬го пространства скважин – наиболее полное замещение бурового раствора тампонажным в интервале цементирования и сцепление цементного камня с обсадными трубами и горной породой. Очевидно, что физическая сущность процессов замещения буровых растворов цементными не может быть выявлена без реологических характеристик и четких представлений и осо¬бенностях течения жидкостей как в симметричных каналах, так и с учетом кавернозности стволов бурящихся сква¬жин, эксцентриситета обсадной колонны и др. Конфигурация зазора в затрубном пространстве влияет: на объем цементного раствора (для каждой обсадной колонны); динамику гидравлического процесса цементирования в условиях возникающего неустановившегося режима течения потока, когда расход на входе и на выходе различный; полноту замещения бурового раствора цементным (коэффициент замещения) и др. Все названные факты влияют на качество цементирования обсадных колонн и требуют специальных технологических приемов для повышения качества крепления. Для оценки полноты замещения бурового раствора цементным необходимы методика и критерии прогнозирования результата тампонажных работ на стадии проектных работ и непосредственно перед проведением цементирования обсадных колонн. Для решения задачи рассмотрено движение жидкости в пространстве между двумя концентрично расположенными трубами. » author=»Ширяев Андрей Богданович, Логачев Юрий Леонидович» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-01-28″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_31.10.15_10(19)» ebook=»yes» ]