Аннотация
В работе предлагаются решения для регулирования параметров тампонажных суспензий применяемых при цементировании скважин. Рассмотрена качество цементирования при строительстве скважин. Предложено наземное оборудование, регулирующее параметры цементного раствора.
Ключевые слова: Цементирование скважины, оценка качества цементирования, регулирование параметров тампонажного раствора.
Abstract
The paper proposes solutions for regulating the parameters of cement slurries used in cementing wells. The quality of cementing during well construction is considered. Ground equipment is proposed to regulate the parameters of the cement slurry.
Keywords: well cementing, cementing quality assessment, cement slurry parameters control.
Одной из наиболее сложных проблем, возникающих при строительстве скважин остается низкое качество разобщения пластов, что приводит к преждевременному ремонту скважин и выбытию быстрому их эксплуатационного фонда.
Проведенный анализ по оценке качества цементирования на скважинах месторождений Западной Сибири показывает, что сцепление тампонажного материала в интервале продуктивных пластов (100 метров выше и 50 метров ниже) по заключению цементометрии USBA-21 с колонной весьма низкое, и только в 40 % удовлетворительное, сцепление с породой еще ниже, удовлетворительное качество составляет 25 % (см. таблицу 1).
Таблица 1.
Оценка качества сцепления при цементирования первой ступени эксплуатационной колонны в интервале продуктивного пласта

Примечание – цементирование производилось по штатной технологии и с использованием цемента марки G.

Данные по плотности цемента в интервале продуктивных пластов (100 метров выше и 50 метров ниже) по заключению цементометрии СГДТ приведенные в таблице 2 , также свидетельствуют о неоднородности заполнения пространства и неудовлетворительных параметрах тампонажной суспензии и большого интервала разброса удельного веса цемента за эксплуатационной колонной
Таблица 2.
Оценка плотности цемента при цементирования первой ступени эксплуатационной колонны в интервале продуктивного пласта.

Примечание – цементирование производилось по штатной технологии и с использованием цемента марки G.

Проведенные лабораторные исследования по твердению различных марок цементного материала свидетельствуют о необходимости дополнительной обработки тампонажной суспензии в связи с низкой адгезией к металлу обсадной колонны, усадкой тампонажного материала. На рисунках 1,2 приведены результаты твердения тампонажного материала при условиях цементирования между двумя колоннами, из которых видно, что при твердении образца из ПЦТ-100 происходит усадка цементного камня и образования трещин в зоне контакта цементного камня — колонна. На рисунке 2 проиллюстрированы исследования на другой марке цементного материала, который не образовал прочного цементного камня.

Рис.1. Фото образца ПЦТ-100 при затворении на пресной воде при ВЦО=0,5

Рис.2. Фото образца ШПЦС-120 при затворении на пресной воде при ВЦО=0,5

Полученные результаты позволяют сделать выводы о необходимости применения технологий и оборудования, улучшающих параметры тампонажной суспензии.
Существуют множество способов улучшения качественных показателей тампонаж ной суспензии и цементного камня, к ним относятся [4]:
1. Механические – повышение качества суспензий с помощью различного типа мельниц, гидроциклонов, дезинтеграторов;
2. Химические – повышение качества суспензии посредством добавления различных реагентов (ускорителей, стабилизаторов, пластификаторов);
3. Физические – повышение качества тампонажной суспензии посредством воздействия ультразвука, вибрации, электромагнитных волн.
Но не всегда эти методы эффективны, а зачастую требуют затрат энергии и использование специального дорогостоящего оборудования.
Одним из наиболее простых не требующих дополнительных затрат, изменения технологической схемы является применение дезинтеграторов. Качественное перемешивание суспензии приводит к образованию однородного состава, который при застывании образует однородный по плотности, пористости цементный камень, способный противостоять проникновению пластовых вод и размыванию цементного камня. На рисунке 3 представлено разработанное устройство для обработки тампонажных растворов, позволяющее улучшить качество суспензии.

Рис.3. Устройство для обработки тампонажных растворов.

1. — корпус устройства, 2. — стопорное кольцо, 3. — диспергирующая диафрагма, 4. — турбулизирующая насадка, 5. — камера смешения, 6. — обтекаемый сердечник.

Принцип действия устройства основан на применении явления кавитации. На входе в гидравлическое устройство цементный раствор двигается ламинарно, далее, проходя через насадку, в камере смешения течение тампонажной суспензии завихрятся. В результате турбулентный поток цементного раствора, двигаясь через сопло, состоящее из конфузора и диффузора, с обтекаемым сердечником, в самом узком поперечном сечении канала увеличивает свою скорость, и соответственно происходит понижение давления до некоторого критического значения. Присутствующие в цементном растворе пузырьки газа или пара, двигаясь с потоком раствора и попадая в область давления меньше критического, приобретает способность к неограниченному росту. Абсолютное давление при этом достигает значения равного давлению насыщенных паров жидкости при данной температуре или значения равного давлению, при котором начинается выделение из нее растворимых газов, и в данном месте потока наблюдается интенсивное парообразование (кипение) и выделение газов. Далее кавитационные пузырьки, образованные локальным понижением давления жидкости, при повышении давления резко захлопываются. Причем, процесс образования и роста полостей происходит относительно медленно, тогда как схлопывание протекает со сверхзвуковой скоростью, порождая ударную волну. При захлопывании пузырьков давление, резко возрастает, и твердые компоненты раствора, находящиеся в зоне кавитации, не выдерживают и подвергаются диспергированию. Выделяющаяся в процессе схлопывания пузырька энергия приводит к возбуждению, ионизации и диссоциации молекул воды и газов внутри кавитационной полости. На этой стадии любой из присутствующих газов является активным компонентом, участвующем в передаче энергии возбуждения, перезарядке и других процессах.
Для оценки образования явления кавитации по характерным сечениям рассматриваемого устройства см. рис.4. проведены гидравлические расчеты, приведенные в таблице 3.

Рис.4. Характерные сечения устройства

Результаты расчетов показывают возникновение эффекта кавитации в области установленного обтекаемого сердечника. Турбулизация потоков суспензии до установленного сердечника приводит к дополнительному увеличению гомогенности приготовляемых растворов, а также переносу явления кавитации со стенок устройства в поток прокачиваемого раствора.

Таблица 3
Результаты гидравлических расчетов

Результаты проведенных расчетов показали возникновение явления кавитации, что позволяет рекомендовать разработанное устройство для улучшения качества тампонажных суспензий, основанное на следующих физических процессах: турбулизация потока и явлении кавитации.
Данное устройство необходимо применять для приготовления тампонажных растворов из лежалых цементов, отличающихся неоднородностью, неудовлетворительной подвижностью, крайне низкими технологическими и изоляционными свойствами, а также при использовании различных химических реагентов, что позволит улучшить следующие параметры тампонажной суспензии: увеличение растекаемости цементной суспензии, снижение водоотдачи цементной суспензии, снижение сроков начала и конца схватывания цементной суспензии, уменьшение среднего размера частиц, улучшение адгезионных свойств цементного камня с металлом, улучшение прочностных свойств цементного камня.

Список используемых источников информации:

1. Буровые промывочные и тампонажные растворы / Под ред. А.И. Булатова. – М.: Недра, 1999. – 424 с.

2. Теория и практика заканчивания скважин / Под ред. П.П. Макаренко. – М.: Недра, 1997-1998. – Т. 1-5.

3. Скважинная добыча нефти / Под ред. И Т.Мищенко. — М.: Нефть и газ, 2003, 816 с.

4. Управление свойствами буровых растворов / Под ред. Я.А. Рябченко. – М.: Недра, 1990, 497 с.

5. Заканчивание скважин / Под ред. Е.М. Соловьева. – М.: Недра, 1979. – 572 с.

6. Истечение жидкости через насадки в среды с противодавлением / Б.Н. Сиов.-М. :Машиностроение», 1967.-140 с