Опыт цементирования и перфорации горизонтального участка ствола скважины

21.11.2020

Приемы, приводящие к успешному цементированию горизонтальных скважин, аналогичны требующимся для успешного цементирования стандартных вертикальных скважин. Разница заключается лишь в некоторых особенностях. Как и в каждой цементировочной операции, операторы стараются обеспечить вытеснение цементом как можно больше бурового раствора и твердых частиц из затрубного пространства. Смысл этой операции в том, чтобы не оставить в затрубном пространстве непрерывных каналов для перетоков флюидов за хвостовиком. Гораздо труднее добиться этого в горизонтальной скважине по сравнению с вертикальной. В вертикальной скважине каналы могут образовываться, но они обычно утрачивают сообщаемость. В горизонтальной скважине сила тяжести вызывает образование каналов на верхней стороне хвостовика из-за седиментации частиц цемента, а в нижней части - из-за невытесненного в процессе промывки шлама.

Цементирование хвостовика является первым этапом в достижении успешного вытеснения бурового раствора. В горизонтальных скважинах сила тяжести прижимает нецентируемую трубу у нижней части ствола скважины, зажимая там невытесненный буровой раствор. Другими причинами эксцентричного положения колонны может быть зигзагообразная форма ствола горизонтальной скважины вследствие поперечно-горизонтальной вибрации буровых двигателей, которая может способствовать образованию штопорообразной формы ствола скважины и незапланированным изменениям направления ствола скважины в процессе бурения. Для устранения эксцентричности обсадной колонны используются центраторы двух типов: жесткий и в виде дугообразной листовой пружины (см. рис. 1.38).

Жесткие центраторы обычно дают лучшие результаты для горизонтальных скважин номинального диаметра; определенные типы центраторов с большим пространством для циркуляции жидкости дают дополнительное преимущество в повышении локальной турболизации потока, помогая вытеснению бурового раствора. Размытые участки ствола требуют применения центраторов в виде пластинчатых пружин. Некоторые изготовители снабжают центраторы специальными втулками, располагая их на каждом из концов центратора, с целью уменьшения величины крутящего момента, когда хвостовик проворачивают, чтобы уменьшить величину напряжения геля бурового раствора в процессе закачивания тампонажной смеси. Чтобы уменьшить влияние эффекта трения при опускании хвостовика в горизонтальную скважину, центраторы можно устанавливать поверх стопорных муфт так, чтобы они уплощались при проталкивании хвостовика через сужения ствола в скважине.

На рис. 1.39 показано расположение обсадной колонны без использования жёстких центраторов.
Опыт цементирования и перфорации горизонтального участка ствола скважины

Это является одной из причин плохого цементирования хвостовика. Поскольку цемент плотнее бурового раствора, хвостовик может сместиться на нижнюю образующую горизонтальной скважины, захватывая в «ловушку» неподвижный буровой раствор.

Без стопорных муфт центраторы будут проталкиваться муфтами хвостовика дальше и деформироваться, вплоть до разрушения.

Эксцентрирование хвостовика в горизонтальных скважинах может также явиться результатом использования тяжелого цемента. При закачке тяжелого цемента в скважину хвостовик под его действием оседает в заполненной буровым раствором скважине, сжимая пластинчато-пружинные центраторы или заставляя жесткие центраторы вминаться в пласт. Это приводит к образованию узкого канала на нижней образующей затрубного пространства. Однако когда цемент прокачивается по затрубному пространству, увеличивается «плавучесть» обсадной трубы и это приводит к тому, что пластинчатые центраторы могут раскрыться, освобождая нижнюю сторону затрубного пространства. Ho этот эффект на данном этапе не окажет существенного влияния на процесс вытеснения бурового раствора из-под хвостовика.

Для улучшения операции по циркуляции используют хвостовики меньшего диаметра. Это приводит к тому, что хвостовик в меньшей степени смещается под действием цемента вниз во время вытеснения и отстоит от стенки скважины на большом расстоянии, которое хорошо коррелируется с эффективностью вытеснения. Использование уменьшенного диаметра хвостовика можно предусмотреть в плане заканчивания горизонтального ствола скважины.

При составлении рецептуры цементного раствора необходимо учитывать противоречивые требования. Цементный раствор должен обладать низким пределом текучести, чтобы способствовать образованию турбулентного потока, необходимого для обеспечения максимального вытеснения и предотвращения большой потери флюида, т. к. он прокачивается в пределах протяженных интервалов проницаемых коллекторов. Особенно важно, чтобы цементный раствор был стабильным по структуре, без осадкообразования или проявления свободной воды. Осадкообразование и выделение из цемента твердых компонентов ведет к образованию низкопрочного, высокопористого цементного камня. Свободная вода, образующаяся в верхней части трубы, может сформировать открытый непрерывный канал.

Зарубежными учеными предложено три варианта технологии для улучшения стабильности цементного раствора в зависимости от скважинной температуры:

1. Использование диспергаторов для обеспечения образования материала, связывающего вместе цементные зерна.

2. Превращение воды затворения в более вязкую жидкость при помощи латоксных эмульсий.

3. Смешивание твердых инертных элементов по размеру в 10-100 раз меньше, чем цементные зерна, для заполнения промежуточных зазоров между зернами и для предотвращения отделения свободной воды.

Другими важными инградиентами для обеспечения успешного цементирования в горизонтальных скважинах является легко вытесняемый буровой раствор, особенно с низким предельным статическим напряжением сдвига. Движение обсадной трубы в стволе скважины является средством, обеспечивающим уменьшение величины этого напряжения сдвига, причем вращение трубы оказалось более эффективным для этой цели, чем ее расхаживание. Для этой цели были разработаны специальные подвески, снабженные опорными подшипниками.

Расхаживание представляет собой движение в пределах от 3 до 6 м ежеминутно и вращение (движение со скоростью 10-20 оборотов в минуту). Оба приема используются до тех пор, пока цементировочная пробка не встает на концевой клапан. Вращение, кроме того, способствует продвижению цемента вокруг обсадной колонны и повышает степень вытеснения бурового раствора на узкой стороне затрубного пространства. В горизонтальных скважинах движение хвостовика может предотвратить воздействие на него усилий крутящего момента и волочение, для чего были разработаны теоретические модели воздействия волочения для прогнозирования момента, когда может оказаться невозможным перемещение хвостовика в горизонтальном стволе.

Цемент следует вытеснять на скорости продавки, сохраняющей стабильную границу раздела флюида между цементным раствором. Это требует применения реологически стабильного цементного раствора с низким пределом текучести, низкой пластовой вязкостью и надежным контролем флюида, т.е. теми свойствами, которых можно добиться путем применения добавок на латексной основе.

Следует уделить особое внимание надежности оборудования с обратным клапаном на конце хвостовика, которое предотвращает обратный переток в колонну цемента. Обратный переток может стать проблемой в горизонтальных скважинах.

Одновременное вращение помогает уменьшить предельное статистическое напряжение сдвига бурового раствора, облегчая эффективное вытеснение цемента (см. рис. 1.40). Нужно было разработать специальные подвесы для хвостовика, позволяющие производить эти движения.

Цементирование очень важно для создания в затрубном пространстве направленных путей поступления флюида пласта в скважину. Если обсадная труба не цементирована, буровой раствор «застрянет» между ней и нижней образующей скважины. Из-за разности путей пластового флюида в скважине не существует режима потока при соответствующей скорости его движения, которые могут сдвинуть «застоявшийся» в затрубье буровой раствор. Промысловый опыт показывает, что необходимо смещение обсадной колонны (от центра) минимум на 65-70 % для обеспечения наилучшего удаления бурового раствора из суженной части затрубного пространства между колонной и стенкой скважины. Это в большей мере подтверждалось исследованиями Уилсона и Сэбинса (188), которые в лабораторных условиях наблюдали осаждение бурового раствора и слабую эффективность вытеснения, когда эксцентриситет достигал величины менее чем 60 % от стандарта АНИ (Американский институт нефти), который имел место, несмотря на тщательный контроль за буровым раствором. Трудность поддержания турбулентного потока вокруг эксцентричного расположения обсадной трубы графически изображена на рис. 1.41.

Коэффициент расхода или зависимость отношения скоростей потоков, протекающих между верхней и нижней сторонами хвостовика во время вытеснения бурового раствора, зависит от величины смещения хвостовика от оси скважины. Если хвостовик лежит на нижней образующей скважины или почти прилегает к ней, то скорость потока на нижней стороне может упасть до нуля. Если хвостовик хорошо центрирован, то коэффициент расхода равен единице, а вытеснение имеет оптимальный характер.

Цементировать обсадную трубу особенно трудно, когда угол отклонения скважины от вертикали достаточно велик, из-за возрастающей нагрузки на центраторы. Чтобы поддерживать максимально центрированное положение колонны, эмпирическим правилом должно стать поддерживание постоянным расстояния между центраторами в пределах не менее 6 метров. Рекомендуется использовать жесткие стержневые (полосовые) центраторы. Можно использовать также центраторы из сваренных стальных прутьев, особенно на участке размыва ствола скважины. Центраторы должны содержать несущую муфту, позволяющую трубе вращаться и двигаться возвратно-поступательно, не прибегая к снятию центраторов. Требуемое количество и расположение центраторов можно точно определить путем компьютерного моделирования. При планировании программы расчета установки центраторов следует также учитывать влияние плавучести трубы и разности плотностей бурового и тампонажного растворов. Применение цементного раствора высокой плотности при буровом растворе низкой плотности в стволе может привести к плохому цементированию колонны, так как более тяжелый цемент может вызвать смятие или вдавливание центраторов.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2020
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна