Глава V

В зависимости от температуры испытания и условий применения различают три класса тампонажных цементов:

а) для «холодных» скважин (ХЦ) с температурой испытания 22±2°С;

б) для «горячих скважин» (ГЦ) с температурой испытания 75±3°С;

в) для глубоких высокотемпературных скважин (ВЦ), которые в свою очередь подразделены на несколько групп (до 100, 120, 150, 170 и 200°С),

Для цементирования скважин при температуре на забое до 40 °С применяют таыпонажный цемент для «холодных» скважин, при температуре до 75 °С — тампонажный цемент для «горячих» скважин, при температуре выше 75°С — специальные цементы для сверхглубоких скважин.

Данные о сроках схватывания цементных растворов и прочности образцов цементного камня для «холодных» и «горячих» скважин приведены в табл. V.2.

212

Таблица V.2

Цемент или раствор Температура твердения, °С Начало схва тывания после затворе-ния (не ранее,) Конец схватывания после затворе-ния (не позднее) Предел прочности при нз-гибе, МПа (не менее)

Для «холодных» скважнн Для «горячих» скважин 22±2 75±3 2 ч 1 ч 45 мин 10 ч 4 ч 30 мин 2,7 6,2

Начало схватывания цементного раствора характеризуется потерей подвижности и загустеванием раствора. На схватывание цементного раствора в скважине влияет водо-цементное отношение, степень помола, присутствие и состав воды, нефти и газа, температура и давление.

Водоцементное отношение — отношение массового количества воды к массовому количеству сухого цемента (В: Ц). Для цементирования скважин применяют тампонаж-ные растворы с водоцементным отношением от 0,4 до 0,5.

Регулирование свойств цементного раствора и камня

Свойства цементного раствора и камня можно изменить введением в раствор наполнителей, активных добавок или обработкой химическими реагентами. К параметрам тампонаж-ных систем, количественное изменение которых часто вызывается необходимостью технологии или особенностями условий скважины, относятся: для тампонажных растворов — время загустевания или сроки схватывания, плотность, водоотдача, реологические свойства, седиментационная устойчивость; для тампонажного камня — механическая прочность, проницаемость, коррозионная устойчивость и др.

Для увеличения сроков схватывания цементных растворов применяют реагенты — замедлители, а для сокращения — ускорители. Ускорители рекомендуется применять при температуре среды от —2 до 40 °С, а замедлители сроков схватывания— выше 60 °С для шлаковых цементов.

Применение понизителей водоотдачи цементных растворов рекомендуется практически при всех видах РИР.

В качестве реагентов-замедлителей применяют: сульфит-спиртовую барду (ССБ), карбоксиметилцеллюлозу (КМЦ) различных марок, лесохимические полифенолы (ПФЛХ), син-тан марки ПЛ, винно-каменную кислоту (ВКК), технический винный камень (ТВК), смесь винно-каменной и борной кислоты (ВК и БК), трилон Б, сегнетовую соль, лимонную кислоту и др.

В качестве реагентов-ускорителей наибольшее применение получили хлориды натрия и кальция, каустик, хлористый алюминий, кальцинированная сода, жидкое стекло и др.

Хлориды кальция и натрия наряду с ускорением сроков

213

схватывания и твердения несколько повышают первоначальную подвижность цементных растворов.

С помощью различных химических реагентов можно регулировать плотность тампонажных растворов и прочность цементного камня.

Снижение плотности растворов достигается введением в них реагентов и материалов с высоким газо(возду-хо)/содержанием: легких органических и неорганических материалов или реагентов, а также материалов, которые способны удерживать значительные количества воды. Наиболее эффективны для этих целей реагенты-структурообразователи (например, КМЦ, гипан), материалы типа пластмасс с плотностью, близкой к 1000 кг/м3, бентонитовые глинопорошки, хорошо удерживающие воду.

Повышение плотности тампонажного раствора достигается введением утяжеляющих добавок {барит, магнетит, гематит и др.) и кварцевого песка; снижением водоцементного отношения с одновременной обработкой растворов реагентами-пластификаторами.

Механическую прочность и проницаемость тампонажного камня регулируют путем введения в раствор различных материалов и химических реагентов.

При всех температурных условиях механическая прочность портландских и шлаковых цементов увеличивается, а проницаемость уменьшается при снижении водоцементного отношения; такое же действие в условиях высоких температур и давлений оказывает введение кварцевого песка в тампонажнын раствор.

Добавление глины в небольших количествах (до 5—8%) способствует повышению механической прочности портландце-ментиого и шлакоцементного камня в условиях высоких температур и давлений.

Количество химических реагентов определяют лабораторным путем в зависимости от характера скважины, способа цементирования и сорта тампонажного цемента.

Транспортирование и хранение цемента

Цемент отгружают в бумажных мешках или специальных машинах — цементовозах.

Для его упаковки применяют многослойные (четырех-, пяти, или шестислойные) бумажные мешки, на которых должны быть обозначены: наименование завода, название цемента, номер заводской партии, год, месяц и число затаривания. Цемент, отгруженный в цементовозах, сопровождают документом,, содержащим те же сведения. Хранят его раздельно по видам.

При транспортировании и хранении цемент следует предохранять от воздействия влаги и загрязнения посторонними примесями.

214

Способы тампонирования скважин

Основной метод ликвидации негерметичности обсадных колонн и заколонного пространства— тампонирование под давлением через отверстия фильтра скважины или через дефект в колонне с целью продавить в пласт или за колонну расчетный объем раствора, необходимый для надежной изоляции нефтяного горизонта от проникновения чуждых вод. При этом чем медленнее продавливают раствор в пласт, чем выше давление, тем надежнее перекрываются пути движения чуждых вод, тем эффективней сама изоляция нефтяного пласта (горизонта). При этом, однако, давление не должно превышать допустимого внутреннего для данной эксплуатационной колонны (с учетом ее состояния, диаметра и марки стали труб). В противном случае могут произойти слом или смятие колонны.

Способы тампонирования под давлением необходимо планировать в зависимости от положения динамического уровня жидкости в колонне при проверке скважины на заполнение и расчетной продолжительности операции, которая должна составлять не более 75% от срока загустевания тампонажного материала.

На практике применяют следующие разновидности тампонирования под давлением.

Тампонирование под давлением через трубы с последующим разбуриванием стакана. В скважину спускают НКТ и устанавливают на 5— 10 м выше верхних отверстий фильтра или дефекта в колонне и через них под давлением продавливают тампонажный раствор. Оставшиеся излишки раствора вымывают способом обратной или прямой промывки. Стакан, образующийся в скважине ниже конца НКТ, после твердения разбуривают.

Тампонирование под давлением через трубы с вымыванием излишков цементного раствора применяют в случаях, если необходимо избежать разбуривания цемента в колонне. При этом конец НКТ должен быть установлен у верхних отверстий фильтра. После продавки раствора в пласт колонну НКТ наращивают и вымывают тампонажный раствор из скважины. Эту операцию можно выполнять и без наращивания труб, для чего конец их следует устанавливать ниже нижних отверстий фильтра. В таком случае процесс вымывания тампонажного раствора из скважины при этом будет протекать с противодавлением на пласт, а сама промывка должна закончиться до начала схватывания цемента. Этот способ рекомендуется применять при использовании нефтецементных растворов.

Комбинированные способы применяют при необходимости оставления скважины под давлением до конца схватывания раствора. Сущность его заключается в следующем. Нижний конец НКТ устанавливают у нижних отверстий

215

фильтра. После прокачки и вытеснения тампонажного раствора из труб, последние поднимают с таким расчетом, чтобы конец их оказался выше уровня раствора; затем устье герметизируют, тампонажный раствор продавливают в пласт закачкой жидкости в трубы или одновременно в трубы и в затруб-ное пространство. Затем скважину герметически закрывают и оставляют под давлением до конца схватывания раствора.

Тампонирование под давлением через обсадную колонну

Этот способ применяют для изоляции сквозных дефектов

обсадных колонн и наращивания цементного кольца за ними„ а также для тампонирования каналов межпластовых перетоков между непродуктивными горизонтами, когда условия проведения РИР не допускают разгрузку колонны от избыточного давления после задавливания тампонирующей смеси.

Сущность этого способа заключается в следующем. На колонный фланец герметично крепят устьевую арматуру, через которую тампонажный раствор закачивают в колонну и затем продавливают в изолируемую зону при давлении, не превышающем регламентированного для опрессовки колонны. Необходимость применения разделительных пробок и буферных жидкостей устанавливают в зависимости от характера взаимодействия промывочной жидкости и используемой тампонирующей смеси.

Скважину оставляют в покое на период ожидания затво-рения цемента (ОЗЦ) под воздействием достигнутого давления или предварительно плавно снизив его {не более 0,5 МПа/мин) до планируемого.

Для устранения негерметичности обсадных колонн, когда местоположение дефекта не установлено и непрерывная закачка жидкости через него при давлении, допустимом для обсадных колонн, невозможна, а приемистость характеризуется лишь его падением во время опрессовки колонны водой, применяют тампонирование под давлением с непрерывной прокачкой тампонирующей смеси по затрубному пространству и с периодическими остановками прокачки.

Тампонирование под давлением с непрерывной прокачкой смеси по затрубному пространству

Нижний конец НК.Т устанавливают на 5—10 м выше искусственного забоя. В качестве тампонажного материала используют гелеобразующие или водонерастворимые отверждающие-ся полимерные тампонажные материалы (ПТМ), рецептуру которых подбирают по максимальной температуре в скважине.

216

Приготовленную смесь закачивают в одну из половин мерной емкости насосной установки. Нагнетая промывочную жидкость в затрубное пространство при подаче насоса 3—5 дм3/с я открытом трубном, восстанавливают циркуляцию.

Применяя штуцеры различных диаметров на выкиде из ЯКТ, устанавливают давление в колонне при циркуляции жидкости, регламентированное для опрессовки колонны. Не прекращая закачки жидкости, переключают краны насосной установки на подачу тампонажного раствора в скважину, прокачивая его по затрубному пространству, не превышая допустимое давление в колонне. По мере перехода раствора из за-трубного пространства в НКТ постепенно уменьшают подачу насосов, снижают давление прокачки на 20—30% ниже первоначального и вымывают излишки смеси на поверхность.

Поднимают НКТ, и скважину оставляют в покое на срок

озц.

Тампонирование под давлением прокачкой смеси по затрубному пространству с остановками

При этом способе допускаются периодические остановки при прокачке тампонирующей смеси по затрубному пространству для наблюдения за динамикой изменения избыточного давления, что позволяет установить местоположение негерметичного интервала колонны. В качестве тампонирующего материала используют только гелеобразующие полимерные там-понажные материалы (ПТМ).

Для проведения работ необходимо приготовить не менее 1 м3 тампонирующей смеси вязкостью не менее 10~' Па-с. Затем спрессовывают колонну на герметичность водой и фиксируют снижение давления \р в течение контрольного времени. При открытом выкиде затрубного пространства закачивают тампонирующий раствор в НКТ, вытесняя воду из них. За-, крыв кран на арматуре из затрубного пространства и продолжая закачку промывочной жидкости, доводят давление в за-трубном пространстве до допустимого при опрессовке колонны.

Выдержав колонну под воздействием давления в течение контрольного времени tK, фиксируют его снижение. Если результат опрессовки не отличается от ранее полученных данных, то, уменьшая давление в затрубном пространстве до атмосферного и продолжая закачивать промывочную жидкость в НКТ, перемещают тампонажную смесь по затрубному пространству для опрессовки следующего, расположенного выше, интервала колонны. Поинтервальную опрессовку продолжают до тех пор, пока резкое уменьшение Ар не укажет на перекрытие тампонирующим составом негерметичного интервала колонны.

Количество продавочной жидкости для очередного перемещения тампонирующего состава должно составлять не более

217

80% от его объема. Затем вымывают излишки состава из. скважины на поверхность и выдерживают скважину под давлением до истечения срока ОЗЦ.

Тампонирование под давлением с применением пакера

Этот способ применяют для:

защиты обсадных колонн при давлениях нагнетания, превышающих допустимые для опрессовки;

защиты продуктивных пластов от загрязнения при нагнетании тампонирующей смеси в изолируемый интервал, расположенный ниже зоны перфорации;

направленной подачи тампонирующей смеси под давлением в изолируемый объект, выше которого имеются негерметичные отверстия в колонне.

Цементирование без давления осуществляют в случаях, когда необходимо создать новый цементный забой (цементный стакан) в стволе скважины или перекрыть нижнюю часть фильтра цементным камнем. Этот способ в основном используют при переводе скважины на вышезалегающий горизонт, когда нет опасности прорыва чуждых вод. Этот процесс протекает успешно при условии, если скважина хорошо промыта и не поглощает жидкость. При полном или частичном поглощении жидкости забой следует засыпать песком или глиной для перекрытия отверстий фильтра.

Цементирование без давления можно осуществлять насосной установкой по способу «сифона» или при помощи желонки.

Цементирование насосной установкой

После обследования колонны в скважину спускают НКТ, нижний конец которых устанавливают над песчаной пробкой на высоте, соответствующей нижнему основанию создаваемого цементного стакана.

После соединения устьевой арматуры с насосной установкой и опрессовки коммуникаций сначала прокачивают воду в объеме, равном 1,5—2,0 объемам НКТ (для контрольной проверки их чистоты), а затем расчетный объем цементного раствора, который проталкивают и вытесняют в затрубное пространство до выравнивания высоты столба раствора в трубах, и затрубном пространстве и приподнимают трубы на высоту создаваемого в колонне цементного стакана. Излишки раствора вымывают обратной промывкой. После окончания срока его твердения в скважину спускают НКТ и при прокачке воды проверяют местонахождение и крепость цементного забоя.

218

Цементирование по способу «сифона»

В скважину спускают колонну НКТ и промывают водой до полной замены в ней жидкости. Затем разъединяют вертлюг, и трубы оставляют подвешенными на элеваторе, установленном на устье; при этом нижний их конец спускают до глубины, соответствующей основанию создаваемого цементного стакана. На верхний их конец устанавливают специальную воронку с сеткой, через которую расчетный объем цементного раствора, затворенного в емкости (чане), заливают в трубы. Затем через вертлюг насосом в трубы закачивают воду.

Движение жидкости происходит до тех пор, пока не наступит равновесие столбов цементного раствора в трубах и в затрубном пространстве. Прекращение движения жидкости будет означать окончание продавки цементного раствора. Затем трубы приподнимают на высоту, соответствующую высоте создаваемого цементного стакана, и излишки цементного раствора вымывают прямой промывкой. Приподнимают 80 — 100 м труб и скважину оставляют в покое на срок ОЗЦ. По окончании этого срока допуском труб с промывкой водой определяют местонахождение цементного стакана и проверяют его крепость.

Цементирование с извлекаемым пакером применяют при изоляции чуждых вод, дефектов в эксплуатационной колонне и установке цементных мостов.

Цементирование с извлекаемым пакером применяют при изоляции чуждых вод, дефектов в эксплуатационной колонне и установке цементных мостов.

В этом случае процесс происходит следующим образом. Вначале скважину обследуют и промывают. Затем спускают колонну НКТ с извлекаемым пакером, который устанавливают и уплотняют на глубине L (в м) :

где Я — расстояние от устья скважины до верхних отверстий фильтра; /гц — высота цементного стакана: рцр и рв — плотность соответственно тампонажного раствора и воды.

В трубы закачивают раствор и продавливают его водой. Затем срывают пакер и поднимают его из скважины. Скважину оставляют в покое на срок ОЗЦ.

Цементирование с неизвлекаемым пакером применяют в тех же случаях, что и с извлекаемым пакером. Однако при этом полностью исключается разжижение тампонажного раствора водой, находящейся в колонне или притекающей из призабойной зоны. Неизвлекаемый пакер спускают на глубину (Я — hu_), устанавливают и уплотняют. После закачки тампонажного раствора в трубы бросают шарик, который садится на конусное седло и закрывает доступ жидкости под пакер. Затем отвинчивают переводник и вымывают излиш-

219

ки раствора над пакером. При этом давление столба жидкости в стволе скважины не передается в пространство, находящееся над пакером.

Цементирование желонкой. Этот способ применяют в скважинах с небольшой глубиной (до 1000 м).

Для успешного цементирования этим способом необходимы плотный забой скважины, обеспечивающий открытие клапана желонки при ударе о забой, и соответствующая водная среда для нормального схватывания и твердения цемента. Поэтому до начала цементирования с помощью желонки в несколько приемов забой скважины заливают морской или пресной водой. Затем заполненную цементным раствором желонку спускают в скважину, ударяют о забой, при этом клапан открывается и цементный раствор выливается. Желонку с цементным раствором спускают несколько раз, пока на забое не накопится расчетный объем раствора. Количество раствора, потребного на один спуск, зависит от диаметра и длины желонки, определяемых диаметром эксплуатационной колонны.

В ряде случаев раствор надежно не схватывается (и не твердеет вследствие неудовлетворительного качества цемента, плохой подготовки ствола, наличия различных примесей в воде и ряда других причин.

Поэтому после цементирования необходимо проверить прочность цементного стакана допуском НКТ с промывкой скважины. Если цемент вымывается, то необходимо промыть скважину и произвести повторный цементаж. Если цементный стакан рыхлый, то он в процессе эксплуатации скважины может разрушиться и в нее проникнут чуждые воды.

Установка искусственных пробок в колонне

Искусственные пробки (песчаные, глинистые, гли-нопесчаные, цементные, резиновые, резино-металлическче) в колонне устанавливают в следующих случаях- при переходе на вышезалегающий горизонт; для изоляции от чуждых вод тампонированием под давлением через специально простреленные отверстия или через дефект в колонне; при необходимости обследования состояния верхней части эксплуатационной колонны; при осуществлении мероприятий по ликвидации скважины.

Для песчаных пробок используют песок, просеянный через сито с ячейками 2X2 мм.

Нижний конец труб устанавливают на расстоянии 30— 50 м над искусственным забоем. К верхней муфте НКТ присоединяют предусмотренную для одновременной закачки жидкости и засыпки песка конусообразную воронку. Ведущую трубу поднимают над устьем так, чтобы нижний ее конец был установлен над горловиной воронки. С ростом скорости вытеснения жидкости из тр>б песчаной пульпой увеличивают ско-

220

рость нагнетания жидкости, обеспечивая непрерывное заполнение воронки.

Песок подают равномерно, чтобы не допустить закупорки труб. При этом особую осторожность необходимо соблюдать при использовании комбинированной колонны НКТ.

После засыпки расчетного количества песка подачу жидкости продолжают до установления гидростатического равновесия в трубах и затрубном пространстве. Это отмечается по постепенному прекращению циркуляции и интенсивному переливу жидкости из воронки.

В поглощающих скважинах после засыпки песка прокачивают в НКТ промывочную жидкость в количестве, равном внутреннему их объему. Поднимают НКТ выше расчетного интервала заполнения песком на 30—50 м и оставляют скважину в покое на 3—4 ч для осаждения песка.

После осаждения песка и образования пробки допуском труб с промывкой проверяют глубину местонахождения пробки. Если окажется, что длина ее больше, чем это требовалось, часть пробки вымывают. В неглубоких скважинах, сильно поглощающих жидкость, с диаметром колонны 219 мм и больше-песок засыпают непосредственно в колонну с одновременной: закачкой воды. После осаждения песка замеряют забой скважины для установления глубины насыпной пробки.

Намыв наполнителей в поглощающую зону скважины

Намыв наполнителей в поглощающую зону скважины отличается от насыпки песчаных пробок тем, что в этом случае создают условия для проникновения наполнителя в пустоты за колонной (в призабойную зону), т. е. процесс проводят при полностью вскрытом фильтре (дефекте колонны) и при больших скоростях нагнетания промывочной жидкости с наполнителем.

Для ввода наполнителя в пласт НКТ спускают на 2—3 м выше верхних отверстий фильтра. На устье устанавливают тройник или крестовину, чтобы впоследствии иметь возможность закачивать воду в затрубное пространство. Затем в верхнюю муфту труб устанавливают воронку, в которую закачивают промывочную жидкость со скоростью б—10 дм3/с через трубу, навинченную па подвешенный вертлюг (для создания вакуума). Не прекращая прокачки воды, в воронку равномерно подают наполнитель. Смесь после выхода из башмака проникает в пласт и постепенно заполняет пустоты за колонной. Во избежание попадания песка в затрубное пространство и прихвата НКТ при вводе наполнителя в затрубное пространство подкачивают воду.

Сохраняя указанный режим, наполнитель вводят в трубы до тех пор, пока давление не начнет увеличиваться, что устанавливается по заметному ухудшению засасывания подавае-

мой смеси. Подачу наполнителя в этот момент прекращают и начинают промывку скважины, допуская трубы до фильтра. Если при этом циркуляция будет частично или полностью восстановлена, то можно проводить тампонирование под давлением.

В качестве наполнителя применяют песок, резиновую крошку, ореховую скорлупу и другие закупоривающие вещества, в качестве жидкости-носителя—воду, буровой раствор, водо-бентонитовую суспензию, приготовленную непосредственно перед закачиванием в скважину.

Разделительные тампонажные пробки (мос--ты) устанавливают через НКТ или при помощи желонки.

Резиновые пробки устанавливают в стволе скважины при помощи стреляющего тампонажного снаряда (СТС), -спускаемого в скважину на каротажном кабеле или на канате. Снаряд на заданной глубине силой пороховых газов выталкивает тампон, изготовленный из теплонефтестойкой резины, предварительно запрессованной в рабочую камеру под давлением 40—50 МПа. Расширяясь за счет упругих сил, тампон перекрывает колонну.

Резино-металлические пробки устанавливают с помощью различных приспособлений (пакеров взрывного действия, вакуумного, гидравлического, порохового и тампонажного снарядов), спускаемых в скважину на каротажном кабеле.

Тампонирование скважин, сильно поглощающих жидкость

В таких скважинах по мере ввода тампонажного раствора вначале заполняют пустоты — пути наименьшего сопротивления движению, что в последующем ухудшает условия притока и освоения скважины и нередко приводит к полному прекращению притока жидкости из пласта. На практике известны случаи, когда в одной и той же скважине для качественного разобщения пластов использовали многократное тампонирование, при этом бесполезно расходовалось большое количество материала. Обычным способом тампонирования в таких скважинах весьма редко получают положительные результаты. Для успешной изоляции чуждых вод следует добиваться создания высоких давлений при продавке раствора за колонну. Поэтому в таких скважинах предварительно вводят в пласт наполнитель, применяют гельцемент, волокнистый цемент, специальные цементы с небольшими сроками начала схватывания и быстросхватывающиеся цементные смеси (пасты).

Тампонирование под давлением с предварительным вводом наполнителя в пласт производят в случаях, когда требуется заполнить пустоты в призабойной зоне скважины (за колонной) и создать возмож-

222

ности для регулирования этого процесса. По мере заполнения-призабойной зоны наполнителем поглощению ею жидкости уменьшается. Ввод наполнителя продолжают до тех пор, пока частично не восстановится циркуляция, и лишь после этого производят тампонирование под давлением. Предварительный ввод наполнителя в значительной степени сокращает расход тампонажного материала, число повторных заливок, время ремонта, не ухудшая при этом условий освоения скважины после капитального ремонта.

Тампонирование с предварительной глинизацией пласта производят в следующей последовательности. Скважину обследуют и промывают до прекращения циркуляции (вследствие сильного поглощения). Нижний конец НК.Т устанавливают у верхних отверстий фильтра или у места дефекта в колонне. Через трубы в поглощающий пласт закачивают буровой раствор большой вязкости порциями по 4—5 м3 каждые 10—30 мин. После нагнетания некоторого количества этого раствора циркуляция восстанавливается. Затем скважину тампонируют под давлением и оставляют в ней стакан.

Тампонирование с предварительной глинизацией применяют только при изоляции пластов, которые в дальнейшем не будут эксплуатироваться.

Тампонирование скважин, слабо поглощающих жидкость

Сущность этого способа заключается, в том, что при про-давливании тампонажного раствора через существующие отверстия фильтра в водопроводящие каналы в пласте создают те же условия движения, что и при притоке воды в скважину во время ее опробования. Иначе говоря, расход жидкости во время продавливания тампонажного раствора в пласт должен соответствовать количеству поглощаемой жидкости.