Фактическая конструкция скважины приведена на рисунке. В скважину диаметром 215,9 мм, обсаженную до глубины 1000 м промежуточной обсадной колонной диаметром 245 мм, была спущена эксплуатационная колонна диаметром 168,3 мм на глубину 2150 м.
В открытой части ствола скважин под эксплуатационную колонну на Степновской площади геологический разрез представлен осадочными породами девонской и каменноугольной систем палеозойской группы.
Каменноугольная система представлена преимущественно карбонатными отложениями, среди которых выделяются терригенные образования тульского, бобриковского горизонтов, а также терригенный комплекс верхнего отдела части башкирского яруса и верейского горизонта московского яруса.
Девонская система в верхнем отделе представлена карбонатными породами данково-лебедянского и елецко-задонского горизонтов средней толщиной 110 м и терригенными породами кыновско-пашийского горизонта средней толщиной 80 м.
Кыновско-пашийский горизонт слагают серые плотные песчанистые, известковистые глины, включающие в себя пропластки толщиной 1-2 м серых кварцевых мелкозернистых, глинистых песчаников.
Средний отдел девонской системы представлен преимущественно терригенными отложениями с отдельными пластами карбонатных пород. Кровлю среднего отдела девонской системы слагают муллинские отложения средней толщиной 55 м, которые представлены серыми плотными тонкослоистыми аргиллитоподобными глинами с пропластками глинистого алевролита и плотного, крепкого известняка.
Глинистые разности кыновско-пашийского и муллинского горизонтов неустойчивы во времени, что приводит к интенсивному кавернообразованию как в процессе бурения, так и при проведении других работ (каротаж, заготовка раствора и т. п.), если циркуляция в скважине отсутствует.
Перед началом работ по креплению скважина была промыта буровым раствором плотностью 1240 кг/м3, вязкостью 45 с по СПВ-5 и водоотдачей 8 см3/30 мин. Подача насоса составляла 18-10-3 м3/с, скорость восходящего потока - 0,7 м/с. После спуска эксплуатационной колонны скважину промывали буровым раствором в течение 3,5 ч. Скорость восходящего потока составляла 1,2 м/с.
Для проведения работ по креплению был затворен цементный раствор плотностью 1830 кг/м3 с растекаемостью 19,5 см и сроками начала схватывания -3 ч 45 мин и загустевания - 2 ч 15 мин. Процесс затворения цементного раствора проходил без осложнений, было закачано 35 т сухого цемента. После пуска разделительной пробки приступили к продавке цементного раствора в затрубное пространство скважины. В качестве продавочной жидкости использовали буровой раствор с параметрами, указанными выше. После закачивания 15 м3 продавочной жидкости (расчетное количество - 37 м3) произошел резкий рост давления на цементировочной головке с 4 до 12 МПа с одновременной потерей циркуляции. Дальнейшая закачка проводилась при постоянном росте давления. При достижении максимального, безопасного с точки зрения целостности обсадной колонны и исключения гидроразрыва ( пласта давления, равного 23 МПа, продавку прекратили. Всего удалось закачать 23 м3 продавочной жидкости.
В результате в колонне оставлен цементный стакан длиной 741 м.
После разбуривания цементного стакана методом акустической цементомет-рии (АКЦ) была определена верхняя граница цементного камня за колонной. Цемент был отмечен в интервале 1990-2150 м. Таким образом, зоной поглощения 8 м3 цементного раствора явился пласт Д2 IVa. Подъем цементного раствора до проектной глубины был обеспечен последующим проведением встречного цементирования, что потребовало дополнительных затрат времени и материалов. Аналогичное осложнение при цементировании эксплуатационной колонны было получено на скв. 402 Степ-новской площади. При этом был оставлен цементный стакан длиной 540 м.
Сопоставление суммарных объемов обсадной колонны и кольцевого пространства с суммарным объемом цементного раствора и продавочной жидкости, закачанным до момента возникновения критического давления, показало, что преждевременный рост давления продав-ки начался при достижении верхней границей тампонажного раствора в кольцевом пространстве кыновско-пашийских и муллинских глин, расположенных в интервале 1940-2050 м.
Ранее авторами [1, 3] было установлено, что при увеличении скорости восходящего потока бурового раствора более чем в 1,8 раза (1,6 м/с) глинистые породы, слагающие разрез, теряют устойчивость. Промывки, проводимые с целью повышения эффективности очистки ствола скважины от выбуренной породы, приводили к прихватам бурильной колонны с полной потерей циркуляции.
Промысловые исследования, проведенные [2] на скв. 479 Елшано-Курдюм-ской площади, показали, что на участках, осложненных кавернами, из-за снижения скорости восходящего потока в кольцевом пространстве происходит скопление шламоглинистой взвеси. Было отмечено, что при интенсивных промывках, проводимых в сочетании с расхаживанием бурильной колонны, шламоглинистая взвесь поступала из каверн в ствол скважины с образованием плотных сальников на замках бурильной колонны, приводящих иногда к полному перекрытию кольцевого пространства.
Проведенные при цементировании скв. 170 Песчано-Уметской площади измерения показали, что скорость движения столба тампонажного раствора в колонне обсадных труб достигала более 2 м/с (одновременно скорость в затру-бье повышалась до 2,6 м/с), в то время как в процессе последней промывки и при бурении она составляла не более 0,7 м/с.
Для подтверждения предположений о причинах осложнений, которые возникли при цементировании скв. 407, 412 Степновской площади, в лаборатории глинистых растворов Приволжского УБР были проведены лабораторные исследования по следующей методике.
Выбуренную породу (шлам) из кынов-ско-пашийского и муллинского горизонтов отбирали на ситах при бурении скв. 432 Степновской площади. Часть отобранного шлама в виде стружкообразных пластин промывали водой и высушивали, после чего измельчали в ступке до порошкообразного состояния. Другую часть более прочной аргиллитоподобной глины оставляли в виде пластин без измельчения. В лабораторных исследованиях для проведения анализов использовали фактический буровой раствор со скв. 432 Степновской площади, параметры которого были аналогичны параметрам раствора, применяемого на скв. 407 и 412 Степновской площади: плотность 1220 кг/м3, условная вязкость по СПВ-5 46 с, фильтрация 6 см3/30 мин, корка 1 мм, пластическая вязкость 0,02 Паю, содержание твердой фазы 14 %. Цельные стружкообразные пластины глины помещали на 12 ч в буровой раствор вышеуказанных параметров (имитировался процесс нахождения шлама в каверне). Через 12 ч было отмечено расслоение шламовых пластин без набухания. Приготавливали цементный раствор следующих параметров: водоцементное отношение В/Ц - 0,5, плотность 1780 кг/м3, растекаемость 19,5 см, срок начала схватывания - 3 ч 40 мин, срок начала загустевания - 2 ч 15 мин, срок конца схватывания - 4 ч 50 мин. В объемных соотношениях цементный раствор: буровой раствор 1:1, 2:1, 1:2 растворы смешивали, после чего в них добавляли глинопорошок из пластовой породы и расслоенные пластины глины. После перемешивания в мешалке измеряли растекаемость полученной смеси. Принято считать [4], что раствор с расте-каемостью менее 10 см является непро-качиваемым.
В результате лабораторных исследований было установлено, что при смешивании цементного и бурового растворов в соотношении 1:1 и добавлении к ним не менее 23 % твердой фазы, в которой не менее 8 % представлено в виде диспергированной глинистой пластовой породы и не менее 15 % - в виде расслоенных аргиллитоподобных пластин, образуется непрокачиваемая смесь.
Проведенный анализ фактических данных по скв. 407,412 Степновской площади, результатов лабораторных исследований, а также ранее проведенных промысловых исследований [1] показал, что причиной возникновения указанных осложнений при цементировании скв. 407, 412 Степновской площади явилось неконтролируемое увеличение скорости потока тампонажного раствора в колонне труб и бурового раствора в кольцевом пространстве скважины. В результате из-за резкого усиления гидродинамического воздействия потока бурового раствора глинистые пласты кыновско-пашийского и муллинских горизонтов потеряли устойчивость, шламоглинистая взвесь поступила в кольцевое пространство скважины и частично перекрыла его. При достижении головной порцией цементного раствора кыновс-ко-пашийского горизонта произошло его смешивание со шламоглинистой взвесью, после чего образовалась непрокачиваемая смесь (пробка).
Известно [5, 6], что в скважинах, имеющих в разрезе поглощающие и изолированные в процессе бурения пласты (путем кольматации или установкой цементных мостов), перед спуском обсадной колонны необходимо проводить опрессовку открытого ствола, чтобы обеспечить при цементировании подъем тампонажного раствора на требуемую высоту.
Опыт проводки скважин на Песчано-Уметской площади показал: несмотря на то что ствол скважины выдерживает давление опрессовки, при цементировании обсадных колонн происходит поглощение тампонажного раствора. Так, при бурении скв. 214 Песчано-Уметской площади перед спуском эксплуатационной колонны диаметром 168 мм проводили опрессовку открытого ствола скважины глубиной 1100 м. Промывку скважины проводили на глинистом растворе плотностью 1120 кг/м3, вязкостью 40 с, фильтрацией 6 см3/30 мин. В скважине в интервале 1040-1100 м был вскрыт продуктивный карбонатный коллектор с пластовым давлением 6,8 МПа (период отбора газа из хранилища).
Цементирование эксплуатационной колонны предполагалось проводить тампонажным цементом плотностью 1840 кг/см3. Давление опрессовки составило:
где роп - давление опрессовки, МПа; рц, рг - плотность соответственно цементного и глинистого растворов, кг/м3; /Тц -высота цементного столба в кольцевом пространстве, м; рд - гидродинамическое давление, МПа.
В качестве опрессовочной жидкости использовали буровой раствор с наполнителем до 5 %. После того, как ствол скважины выдерживал расчетное давление с наполнителем (на кольматацию затрачивали до 5 сут), раствор очищали от наполнителя и проводили повторную опрессовку.
После опрессовки на расчетное давление ствол скважины был признан герметичным и способным выдержать повышение давления, возникающее при цементировании. Несмотря на это, при цементировании произошло поглощение тампонажного раствора в продуктивном пласте. Такие же осложнения возникли при цементировании скв. 204, 232, 147 Песчано-Уметской площади. Следует отметить, что режим продавки на таких скважинах осуществляется с ограниченной производительностью цементировочных агрегатов и скоростью восходящего потока не выше, чем при промывке в процессе бурения.
В работе [7] приведены результаты экспериментальных исследований, в ходе которых было установлено, что при возрастании скорости восходящего потока с 1 до 3 м/с размыв глинистой корки увеличивается с 1 до 4,5 мм. Показано, что эрозия глинистой корки пропорциональна квадрату скорости течения жидкости и плотности раствора. Скорость течения бурового раствора при закачивании тампонажного раствора в обсадную колонну достигает 2,8 м/с. Таким образом, неконтролируемое увеличение скорости движения столба тампонажного раствора в обсадной колонне на указанных скважинах привело к размыву глинистой кольматационной корки и, как следствие, к поглощению тампонажного раствора после продавки его в кольцевое пространство скважины.
Опыт цементирования скважин [2] небольшой глубины на Елшано-Курдюм-ской и Песчано-Уметской площадях (соответственно глубиной 850 и 1100 м) показал, что разрыв сплошности потока тампонажного раствора при его движении в обсадной колонне явился причиной оголения башмака колонны, поскольку продавочная жидкость не успевает «догнать» продолжающий двигаться после пуска разделительной пробки столб цементного раствора за время, оставшееся до момента посадки пробки в кольцо «Стоп». Особенно четко такое явление стало наблюдаться после того, как в соответствии с требованиями новых Правил ведения буровых работ в нефтяной и газовой промышленности [8] уровень цементного раствора стали поднимать на 500 м выше кровли продуктивного горизонта (вместо ранее действовавшего требования подъема цемента до устья). При этом расчетный объем цементного раствора после затворения стал занимать в колонне интервал, соответствующий 60 % длины колонны, т. е. 0,6L, при котором скорость движения столба цементного раствора, как показали нижеприведенные аналитические и промысловые исследования, достигает значительных величин. После закачивания расчетного объема цементного раствора и проведения подготовительных работ осуществляется пуск разделительной пробки. На проведение подготовительных работ (отвинчивание стопорных штырей, закрытие кранов основной нагнетательной линии и открытие крана нагнетательной линии в целях продав-ливания разделительной пробки) затрачивается определенное время. За это время столб цементного раствора, спонтанно двигаясь под действием сил, обусловленных разностью между плотностью тампонажного и бурового растворов, успеет переместиться на определенное расстояние от устья. Таким образом, на верхней границе раздела цементного и бурового растворов образуется воздушная пробка с давлением ниже атмосферного. Образовавшийся вакуум является причиной затрудненного отворота стопорных штырей при проведении подготовительных работ перед пуском разделительной пробки до такой степени, что приходится открывать кран на цементировочной головке для компенсации давления. (Следует отметить, что вакуум начинает образовываться уже на стадии закачки тампонажного раствора, за его отрывающимся столбом, что иногда является причиной преждевременного срыва разделитель-! ной пробки со стопорных штырей.) Так как столб цементного раствора в рассматриваемом случае перемещается при максимальных критических скоростях, то образующаяся воздушная пробка займет значительный первоначальный объем. Этот объем не уменьшится до тех пор, пока столб цементного раствора не переместится в заколонное пространство и не уравновесит давле-1 ние в обсадной колонне. Конечный объем воздушной пробки будет зависеть от давления, образующегося в колонне в момент посадки разделительной пробки в кольцо «Стоп» после вытеснения всего столба тампонажного раствора в затрубное пространство.
Определим этот объем на примере цементирования скважин Елшано-Кур-дюмской площади. Длина эксплуатационной колонны 850 м, высота подъема цементного раствора 300 м от ус-1 тья, забойное давление в конце про-/ давки 14 МПа. Процесс сжатия можно представить как адиабатическое сжатие. Тогда высота воздушной пробки находится из уравнения
где р1 - атмосферное давление; р2 - давление в конце продавки; V1, - объем, соответствующий высоте h1, отрыва столба цементного раствора; V2 - конечный объем, соответствующий высоте h2 в колонне; n - показатель адиабаты, равный 1,4 для воздуха.
Так как V = Sh, то
Так как время на подготовительные работы перед пуском разделительной пробки занимает минимум 3 мин, а скорость отрыва, согласно проведенным исследованиям, составляет более 2 м/с, то
h1 = 2⋅180 = 360 м.
Тогда
Таким образом, воздушная пробка даже в конечном сжатом состоянии может занимать существенный объем, что усложнит (при цементировании неглубоких скважин, а также скважин, где существует опасность поглощения цементного раствора) определение момента «стоп» и может привести к оголению башмака колонны.
Авторы: В.Г. Елиокумсон, А.М. Лихушин, А.П.Мигуля (Подзембургаз)
Список литературы
Приобететение доступа к файлам
ВНИМАНИЕ: Данная информация получена путем сканирования, цифровой обработки физических носителей или обмена с неравнодушными пользователями. Она не имеет отметок грифа секретности и тайны, если вы считаете, что эта информация нарушает Ваши авторские или другие права. Незамедлительно сообщите администратору для удаления ее из портала.