Повышение качества цементирования скважин в осложненных условиях

Актуальность проблемы. Среди научно-технических задач, связанных со строительством скважин, задача создания качественной цементной крепи в зако-лонном пространстве скважины, является наиболее ответственной, так как при этом обеспечивается надежность, герметичность и экологическая безопасность подземного сооружения на протяжении всего срока службы.

Проблемам обеспечения герметичности заколонного пространства посвящены многочисленные исследования российских и зарубежных ученых. В них рассмотрено влияние различных факторов на качество разобщения пластов. [1−6, 29,36,39,41].

Большинство авторов связывают качество разобщения пластов путем цементирования со следующими группами факторов: а) состав и свойства тампонажного раствораб) способ цементированияв) режим движения тампонажного раствора в кольцевом пространстве скважиныг) состава и свойств бурового растворад) полноты замещения продавочной жидкости тампонажным раствороме) прочности и герметичности сцепления тампонажного камня с обсадной колонной и стенками скважиныж) предотвращение возникновения миграционных каналов в тампонажном растворе в период загустевания и схватыванияз) использование дополнительных средств, повышающих качество тампо-нажного камня и его адгезию и др.

Вместе с тем недостаточно изучены вопросы движения цементного раствора в обсадной колонне.

Известно, что с увеличением объема цементного раствора, закаченного в обсадную колонну, давление цементировочного агрегата постепенно снижается до атмосферного, после чего происходит отрыв части столба цементного раствора.

Влияние этого процесса на качество разобщения пластов пока недостаточно изучены.

Анализ результатов цементирования скважин показывает, что бесконтрольное увеличение скорости движения тампонажного раствора в обсадной колонне является одной из причин возникновения осложнений, таких как: поглощение бурового или тампонажного раствора, преждевременное загустевания тампонажного раствора, невозможность прокачать расчетный объем продавочной жидкости из-за потери устойчивости глинистых отложений, приводит к ошибкам при определении объема продавочной жидкости, увеличивает зону смешивания бурового и тампонажного раствора. Ликвидации осложнений такого рода требует больших затрат времени и материалов, а иногда приводит к ликвидации скважины.

На особенности этого процесса впервые обратил внимание Р. И. Шищенко, затем Н. А. Гукасов установил некоторые теоретические закономерности движения тампонажного раствора в обсадной колонне. При этом вопросы влияния режима движения тампонажного раствора в нисходящем потоке в обсадной колонне на технологический процесс цементирования в целом и на качество цементной крепи не были рассмотрены.

Ранее проведенные исследования носят преимущественно качественный характер и не систематизированы.

На сегодняшний день не существует технологии и не разработана гидравлическая программа, учитывающая закономерности движения тампонажного раствора в обсадной колонне.

Таким образом, данная работа посвящена разработке технологии цементирования скважин, исключающей возникновение осложнений, обусловленных потерей сплошности потока тампонажного раствора при его движении по обсадной колонне. В основе технологии лежит способ цементирования обсадных колонн с регулируемым противодавлением на устье скважины.

Актуальность проблемы, решаемой в диссертационной работе, также подчеркивается ее соответствием отраслевому плану НИОКР ОАО «Газпром» на 2000;2001 годы по договору с СевКавНИПИгаз № 1687−00−2 «Разработать и внедрить комплексную технологию крепления скважин в осложненных горногеологических условиях».

Цель работы: Разработка технологии крепления скважин, повышающей качество разобщения пластов и предупреждающей возникновение осложнений при их цементировании.

Основные задачи исследования:

1. Обобщение и развитие представлений о гидродинамических процессах при цементировании скважин в осложненных условиях.

2. Аналитическое исследование процесса движения тампонажного раствора в обсадной колонне при цементировании скважин.

3. Промысловые исследования процесса закачивания тампонажного раствора в обсадную колонну при цементировании.

4. Изучение механизма возникновения осложнений при цементировании скважин.

5. Разработка технологии цементирования обсадных колонн с регулируемым противодавлением на устье скважины. Разработка новой гидравлической программы цементирования.

6. Разработка гидравлического критерия готовности открытого ствола скважины к проведению работ по цементированию.

Научная новизна.

1. Исследован механизм возникновения осложнений, связанных с неконтролируемым движением тампонажного раствора в обсадной колонне при цементировании.

2. Доказана необходимость регулирования противодавления в затрубном пространстве на устье скважины при цементировании.

3. Разработана методика расчета и способ регулирования необходимой величины противодавления, предупреждающей возникновения осложнений при цементировании скважин.

4. Впервые разработана схема обвязки цементировочного оборудования и технология цементирования с регулируемым противодавлением на устье скважины.

5. Впервые произведена количественная оценка динамики нисходящего движения тампонажного раствора в колонне труб.

6. Впервые разработан гидравлический критерий готовности открытого ствола скважины к цементированию.

Практическая ценность. Разработанная технология цементирования позволила предупредить осложнения, связанные с неконтролируемым движением тампонажного раствора в обсадной колонне, и повысить качество разобщения пластов. Использование разработанною критерия готовности ствола скважины к цементированию позволило обеспечить подъем тампонажного раствора на необходимую высоту.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методика контроля и регулирования необходимой величины противодавления, обеспечивающей сплошность потока тампонажного раствора при его движении в обсадной колонне.

2. Результаты теоретических и промысловых исследований по определению скорости движения тампонажного раствора в колонне обсадных труб.

3. Гидравлический критерий готовности ствола скважины к проведению цементирования.

Реализация работы в промышленности. Предложенный способ внедрен при цементировании 11 скважин на Печано-Уметской и Степновской площадях Саратовской области, что подтверждено соответствующими актами о внедрения.

Гидравлический критерий готовности ствола скважины к проведению работ по цементированию используется в Приволжском УБР в период 1996;2000 г перед креплением эксплуатационных колонн при строительстве скважин на ПХГ Саратовской области (42 скважины).

Получен экономический эффект в размере 873,8 тыс. рублей. Результаты работы учтены при проектировании скважин, Елшано-Курдюмской и Песчано-Уметской площадях (в разделах: крепление скважины).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-техническом семинаре в СевКавНИПИгаз (г. Ставрополь, июнь 2001 г.), на НТС ОАО «Газпром» «Обеспечение экологической безопасности при проведении буровых работ» (г. Тюмень, сентябрь 1999 года), на заседании секции «Техника и технология бурения скважин» научно-технического совета ОАО «Газпром» (г. Ставрополь, декабрь 2000г).

В полном объеме содержание диссертационной работы обсуждено на заседании кафедры «Бурение нефтяных и газовых скважин» СеКавГТУ и на научно-технической секции ученого Совета ОАО СевКавНИПИгаз.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ. Объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы содержащего 50 наименований, и 5 приложений.

ВЫВОДЫ.

1. В работе содержится новое решение актуальной задачи предотвращения осложнений, вызванных несовершенной технологией цементирования, не учитывающий особенностей движения тампонажного раствора в нисходящем потоке.

2. На основе теоретических, промысловых исследований и анализа фактических данных выявлен механизм возникновения осложнений при цементировании скважин, связанный с бесконтрольным увеличением скорости движения тампонажного раствора в нисходящем потоке.

3. Сформулирована и теоретически решена задача об изменении скорости движения тампонажного раствора с глубиной от устья к башмаку колонны. Определено количественное значение изменение скорости в зависимости от реологии растворов.

4. Доказана необходимость регулирования скорости движения тампонажного раствора в обсадной колонне. Усовершенствована гидравлическая программа цементирования, способ регулирования устьевого давления при цементировании обсадных колон.

5. В результате внедрения в Приволжском УБР новой технологии цементирования на 11 скважинах получен годовой экономический эффект в размере 873 тыс. руб (в ценах 1991 г).