Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние качества цементирования скважин в объеди нении "Оренбургнефть" и выбор влияющих на него факторов 12
1.1. Состояние качества крепления скважин в объединении "Оренбургнефть" 12
1.2. Обоснование параметров, характеризующих качество цементирования эксплуатационных колонн 15
1.3. Определение факторов, влияющих на качество цементирования скважин 20
2. Вероятностно-статистические исследования факторов, влияющих на качество цементирования скважин 27
2.1. Классификация условий цементирования скважин... 27
2.2. Математическое моделирование влияния управляемых и неуправляемых факторов на качество цементирования 44
2.3. Анализ влияния информативных факторов на качество цементирования скважин 54
2.3.1. Неуправляемые геолого-технические факторы 57
2.3.2. Скоростные характеристики движения жидкостей в скважине 77
2.3.3. Физико-механические свойства буровых и тампо-нажных растворов 95
2.3.4. буферные системы, применяющиеся при цементировании 115
2.3.5. Технологическая оснастка эксплуатационной колонны 118
2.3.6. Расхаживание эксплуатационной колонны 123
2.3.7. Степень воздействия ударных нагрузок на эксплуатационную колонну 124
2.3.8. Подготовленность скважины к цементированию 127
3. Исследование вязкоупругих эффектов и изучение их влияния на качество цементирования 133
3.1. Исследование явления вязкоупругости в буровых, тампонажних и буферных системах 134
3.1.1. Исследование релаксации напряжения 135
3.1.2. Исследования кинетических эффектов при деформации с постоянной скоростью 145
3.1.3. Исследования нормальных напряжений 167
3.2. Исследование влияния упругости и режимов движения БУР на качество цементирования 176
3.2.1. Исследования влияния свойств БУТ и режимов его движения на эффективность процесса вытеснения.. 177
3.2.2. Исследование причин и условий возникновения срыва вязкоупругого разделителя 194
4. Разработка технологии цементирования скважин с исполь зованием многокомпонентных вязкоупругих буферных систем 200
4.1. Создание технологических схем цементирования для различных условий крепления скважин 200
4.1.1. Технология цементирования для условий, позволяющих создавать турбулентный режим течения цементного раствора 202
4.1.2. Технология цементирования с ограничением скорости движения жидкостей 204
4.1.3. Теоретические основы разработки гидравлической программы процесса цементирования 205
4.1.4. Технологические схемы обвязки устья скважин при цементировании 214
4.2. Оценка эффективности разработанных мероприятий 220
Выводы и рекомендации 223
Список литературы 231
Приложение
- Обоснование параметров, характеризующих качество цементирования эксплуатационных колонн
- Анализ влияния информативных факторов на качество цементирования скважин
- Исследование влияния упругости и режимов движения БУР на качество цементирования
- Оценка эффективности разработанных мероприятий
Введение к работе
Актуальность проблемы. Непрерывное увеличение добычи нефти и газа возможно только при условии выполнения значительных: объемов буровых работ. Из общей суммы капитальных вложений в нефтяную промышленность СССР более 40$ средств расходуется именно на буровые работы. В этих условиях особое значение приобретает эффективность проведения заключительных этапов строительства скважин. В частности, некачественное цементирование может не только существенно снизить эффективность работ по бурению скважины в целом, но и вообще сделать бессмысленным сам факт ее сооружения.
Проблема повышения качества цементирования скважин существенна как для нефтяной промышленности Советского Союза в целом, так и для месторождений Урало-Поволжья в частности. В указанном регионе ежегодно в 15-30$ скважин отмечаются различные виды брака при креплении. Решению данной проблемы посвящены работы многочисленных исследователей как в нашей стране, так и за рубежом. Результатом, этой работы явилась разработка целого ряда технических и технологических средств и мероприятий, направленных на улучшение качества цементирования и получивших широкое распространение особенно в последние годы.
Тем не менее, в ряде районов, в том числе и в Оренбургской области, зачастую не удается достигнуть необходимого качества работ по цементированию, что вызывает значительные дополнительные затраты средств и времени и приводит к потере объемов добычи нефти и газа. Происходит это как из-за недостаточной эффективности применяемого комплекса мероприятий, так и ввиду отсутсвия обоснованных рекомендаций относительно условий, в которых применение того или иного средства или мероприя-
тия наиболее рационально. Важным фактором, сдерживающим решение проблемы качественного крепления, является невозможность количественного прогнозирования результатов применения отдельных мероприятий или их комплексов. Не до конца изучена и поэтому вызывает противоречивые толкования физическая сущность влияния геологических условий, технических средств и технологических мероприятий на различные аспекты качества цементирования скважин.
В связи с этим представляет значительный научный и практи-ческий интерес изучения влияния на качество цементирования геологических, технических и технологических факторов и разработка на этой основе рекомендаций по обеспечению необходимого уровня качества проведения этой заключительной операции.
Дель работы. Повышение качества цементирования скважин в сложных геолого-технических условиях путем применения рацио -нального комплекса стандартных технико-технологических меро -приятии и использования вязкоупругих эффектов в буферных системах.
Основные задачи исследований. Разработка метода классификации скважин по геолого-техническим условиям цементирования.
Изучение корреляционных связей между параметрами, определяющими качество крепления, и устранение мультиколлинеарности переменных.
Исследование характера и физической сущности влияния на качество цементирования геолого-технических условий крепления, технических средств и технологических мероприятий.
Исследование явлений вязкоупругости в буровых, тампонаж -ных и буферных системах с целью изучения физических эффектов, которыми обусловлено влияние вязкоупругих разделителей (ВУР) на качество цементирования, и выделения тех аспектов процесса,где учет вязкоупругих аномалий необходим.
Исследования в промысловых условиях влияния вязкоупругих свойств и режимов движения разделителей на процессы транспорта ВУР и вытеснения бурового раствора.
Разработка технологического процесса цементирования, обеспечивающего необходимое качество крепления скважин за счет применения рационального комплекса традиционных технико-технологических мероприятий и использования многокомпонентных вязкоупругих буферных систем, оптимальных по свойствам и режимам движения ВУР.
Промысловые испытания разработанного технологического процесса.
Научная новизна. Показана возможность и установлена необходимость классификации скважин, подготовленных к цементированию. Разработаны решающие правила для выделения таких скважин, геолого-технические условия которых вызывают необходимость в совершенствовании общепринятой технологии цементирования с целью предотвращения возникновения межпластовых перетоков.
Впервые с помощью анализа математических моделей изучена связь между геологическими, техническими и технологическими факторами, характеризующими условия крепления, и выходными параметрами, определяющими качество цементирования: вероятностью отсутствия прорыва вод при освоении, величиной коэффициента плотности контакта и высотой недоподъема цементного раствора. В результате оценена эффективность применяемых для улучшения качества крепления технических средств и технологических мероприятий, из их числа выбраны наиболее перспективные и определены оптимальные значения управляющих воздействий.
Экспериментально доказано, что существенное увеличение коэффициента вытеснения возможно только при условии формирования сплошного потока ВУР. Впервые сформулированы требования к вели-
чине первой разности нормальных напряжений БУР с точки зрения обеспечения сплошности его потока.
Экспериментально изучено и объяснено явление срыва вязко-упругого разделителя, имещее место в процессе транспорта БУР по стволу скважины и выражащееся в нарушении сплошности и отрыве БУР от ограничивающих поверхностей. Получена расчетная зависимость, связывающая критическое значение градиента скорооти, при котором происходит срыв, с величиной первой разности нормальных напряжений вязкоулругого разделителя.
Методы решения поставленных задач. Поставленные задачи решались комплексно и включали вероятностно-статистические исследования, математическое моделирование, экспериментальные реофи-зические исследования в лабораторных и промысловых условиях, промысловые испытания разработок.
Основные защищаемые положения.
Результаты вероятностно-статистических исследований влияния геологических, технических и технологических факторов на различные аспекты качества цементирования скважин.
Результаты реофизических исследований вязкоупругих характеристик буровых, тампонажних растворов и вязкоупругих разделителей.
Методика и результаты промысловых экспериментов по изучению влияния свойств и режимов движения БУР на эффективность его применения, а также вывод о наличии предельного значения величины первой разности нормальных напряжений БУР, обеспечивающего сплошность его потока.
Результаты исследований условий перехода БУР в высокоэластическое состояние. Предельное значение величины первой разности нормальных напряжений БУР, при котором становится возможным такой переход. Расчетная зависимость, связывающая критическое
значение градиента скорости, при котором происходит срыв БУР, с величиной нормальных напряжений БУР.
5. Технологический процесс цементирования скважин, включающий в себя применение рационального комплекса технико-технологических мероприятий и использование многокомпонентных вязкоупругих буферных систем, оптимальных по свойствам и режимам движения БУР.
Практическая ценность. Предложенный технологический процесс цементирования скважин, включающий в себя применение рационального комплекса традиционных технико-технологических мероприятий и использование многокомпонентных вязкоупругих буферных систем, оптимальных по свойствам и режимам движения БУТ, позволяет повысить коэффициент вытеснения бурового раствора цементным и плотность контакта цементного камня с ограничивающими поверхностями, а также создает условия для достижения проектной высоты подъема цементного раствора. Тем самым обеспечивается качественное цементирование скважин, увеличивается срок их эксплуатации, отпадает необходимость в проведении ремонтно-изоляцион-ных работ.
Применяемые материалы и технические средства широко используются в бурении, сравнительно дешевы и доступны.
Полученные в результате проведения вероятностно-статистических исследований математические модели могут быть использованы для прогнозирования результатов цементирования, определения рациональной области применения новых технических средств и технологических мероприятий и оценки их эффективности, а также для оценки перспективности новых направлений научных исследований в области цементирования скважин.
Реализация работы в промышленности. Разработанный технологический процесс, включающий в себя применение рационального ком-
ллекса традиционных мероприятий и многокомпонентных вязкоупру-гих буферных систем, внедрен на 102 скважинах наиболее сложного с точки зрения достижения качественного цементирования - Боров-ско-Залесского - района производственного объединения "Оренбург-нефть". Экономический эффект от внедрения получен за счет исключения затрат на проведение ремонтно-изоляционных работ и составляет за период с 1976 по 1981 г.г. 235,4 тыс. руб.
Апробация работы. Отдельные вопросы, содержащиеся в диссертации, докладывались и обсуждались на конференциях молодых ученых и специалистов институтов "Гипровостокнефть" (г. Куйбышев, 1975, 1977 и 1981 г.г.), ВО ИГиРГИ (г. Куйбышев, 1976 г.), ТатБШИнефть (г. Дугульма, 1976 г.), ВНЙИТнефть (г. Куйбышев, 1977 г.), БашНШШнефть (г. Уфа, 1979 г.), на отраслевой конференции молодых ученых и специалистов Миннефтепрома (г. Пермь, 1976г.), на УІ и УД Всесоюзных семинарах по гидравлике промывочных жидкостей и тампонажних растворов (г. Астрахань, 1978 г.; г. Баку, 1980 г.), на Всесоюзном семинаре "Новые достижения в гидравлике промывочных растворов и тампонажних систем" (г. Ивано-Франковск, 1982 г.).
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, приложений, изложена на 324 страницах машинописного текста и содержит 68 рисунков и 24 таблицы. Слисок использованной литературы включает 142 наименования.
Публикации. Основное содержание работы изложено в 13 научно-технических статьях.
Автор выражает глубокую признательность академику АН Азербайджанской ССР А.Х.Мирзаджанзаде за помощь, оказанную при постановке задач исследования и разработке методов их решения, научному руководителю работы, д.т.н., профессору М.Р.Мавлютову
за ценные советы и неоднократные консультации, полученные в процессе выполнения работы, а также ныне покойному к.т.н. В.П.Меркулову, оказавшему автору ценную помощь в вопросах общенаучной методологии.
В процессе выполнения работы автор получал советы и рекомендации от к.т.н. В.М.Вязелыцикова, И.П.Тюрина, к.т.н. В.К.Давыдова, к.т.н. В.И.Ткаченко, к.т.н. В.Н.Дегтярева, к.т.н. В.Ф. Галиакбарова, к.т.н. Р.М.Саттарова, за что глубоко им благодарен.
Автор выражает признательность всем сотрудникам ЗЗугурусланскО' го управления буровых работ, принимавших участие в проведении промысловых экспериментов и внедрении результатов исследований.
Обоснование параметров, характеризующих качество цементирования эксплуатационных колонн
Проблемам повышения качества цементирования скважин посвящено значительное количество исследований как в Советском Союзе,, так и за рубежом. При этом в настоящее время отсутствует единое определение понятия "качество цементирования скважин". Суммируя предложенные различными авторами критерии, можно условно выделить следущие состояния скважин, которые характеризуют качественное цементирование:- заколонное пространство скважины вне интервала перфорации герметично;- эксплуатационная колонна вне интервала перфорации герметична;- отсутствует необходимость в разбуривании цементного стакана и в проведении ремонтно-изоляционных работ в последующие периоды освоения и эксплуатации;- выполнены требования охраны недр, в частности, обеспечена защита пресных вод от загрязнения.
На необходимость учета критериев, связанных с герметичностью эксплуатационной колонны, указывается в/"3.6,2.9, 1.34, 2.68.7. Однако, в связи с тем, что для объединения "Оренбург-нефть" осложнения, вызванные негерметичностью эксплуатационных колонн, нехарактерны, рассмотрение этих вопросов не входит в задачи настоящей работы. Что касается герметичности заколонно-го пространства и выполнения требований охраны недр, то очевидно, что эти характеристики состояния скважины входят составными частями в требование об отсутствии необходимости проведения ремонтно-изоляционных работ. Учитывая вышесказанное, в дальнейшем именно такое состояние скважины будет подразумеваться соответствующим условию качественного цементирования эксплуата -ционной колонны.
Достижение такого физического состояния скважины, при ко -тором не возникает необходимости в проведении дополнительных ремонтно-изоляционных работ, подразумевает выполнение ряда условий.I. Обеспечение разобщения нефте-, газо и водонасыщенных коллекторов.
Невыполнение указанного условия является наиболее распространенной причиной проведения ремонтно-изоляционных работ на месторождениях Боровско-Залесской зоны. Последствия некачественного разобщения, как правило, сказываются сразу же во время освоения или в ближайшие 2-3 месяца эксплуатации. Чаще всего именно они являются причинами длительного (по 5-6 месяцев и более) и дорогостоящего освоения скважин.
Очевидно, что в тех случаях, когда отсутствуют условия для возникновения межпластовых перетоков (фдюидосодержащие пласты располагаются достаточно далеко друг от друга, а перепад давления между ними невелик), то непосредственно проконтролировать качество разобщения пластов практически невозможно. Однако, если предпосылки к возникновению перетоков имеются, то о качестве разобщения пластов можно судить по целому ряду внешних проявлений поведения скважины в процессе освоения и эксплуатации.
Различные авторы по разному характеризуют эти внешние про-явления. Так, в работах /"2.23, 3.8, 2.19 7 они квалифицируются как отсутствие прорывов вод во время освоения. Авторы /Г2.25, 2.20 У относят к числу таких признаков продолжительность безводной эксплуатации скважины. В/"1.3, 2.9, 1.34, 3.3У называется целый комплекс признаков: отсутствие сообщения между пластами, пластами и дневной поверхностью, пластами и зоной перфорации колонны. Наконец, авторы /"3.7, ЗЛО, 2.68 J пользуются понятием "надежность герметизации затрубного пространства".
Среди перечисленных параметров могут быть непосредственно зарегистрированы и использованы для прямой оценки качества разобщения пластов только два: отсутствие прорыва вод во время освоения и продолжительность периода безводной эксплуатации скважины.
В условиях Боровско-Залесской зоны использование второго параметра весьма затруднительно в связи с тем, что в процессе эксплуатации скважины часто обводняются за счет подтягивания конусов подошвенной воды, прорывов языков воды, используемой в качестве вытесняющего агента, а также по другим причинам, не зависящим от степени герметичности затрубного пространства.
Использование для оценки качества разобщения пластов параметра "отсутствие прорыва вод во время освоения" также сопряжено с определенными трудностями, вызванными, главным образом, ошибками в определении интервалов перфорации эксплуатационной колонны. Тем не менее, последний параметр является наиболее достоверным, позволяет получать оперативную информацию о качестве цементирования.2. Обеспечение плотного контакта цементного камня с ограничивающими поверхностями.
Необходимость соблюдения данного условия с точки зрения качества разобщения пластов очевидна. Кроме того, выполнение этого требования является немаловажным и с точки зрения сохранения работоспособности эксплуатационной колонны в течение длительного периода эксплуатации, так как в разрезе практически всех месторождений имеются агрессивные пластовые воды (см. приложение 2).
Непосредственно оценить состояние цементного камня и его контакта с ограничивающими поверхностями в зацементированной скважине на современном уровне развития техники невозможно. Обычно для контроля этих параметров используются различные косвенные методы. К их числу можно отнести радиометрические, акустические и термометрические способы контроля /"1.9, I.I7 J.
Основным методом контроля состояния цемента и контактных поверхностей в объединении "Оренбургнефть" служит акустическая цементометрия (АВД). В ограниченных масштабах применяется термометрия и СІДТ. В последнее время в комплексе с АКЦ на некоторых скважинах эффективно используется БФК / 3.5_/.
Учитывая вышеизложенное, в дальнейшем выполнение условия обеспечения плотного контакта цементного камня с ограничивающими поверхностями оценивается по данным акустического цементо-мера. Использование этого метода сопряжено с определенными трудностями в связи с невозможностью количественной оценки плотности контакта. Кроме того, поскольку речь идет о сохранении долговечности эксплуатационной колонны, желательно иметь интегральный показатель, характеризующий плотность контакта во всем интервале подъема цемента.
Анализ влияния информативных факторов на качество цементирования скважин
Структура синтезированных моделей (2.4-2.9) весьма сложна. Путем ее рассмотрения достаточно трудно определить характер и степень влияния того или иного фактора на данную функцию отклика. В связи с этим была создана специальная программа G-RAFAM, с помощью которой осуществляется графический анализ полученных зависимостей (приложение 4). Анализ графических зависимостей позволяет сделать определенные выводы относительно влияния каждого из факторов на различные аспекты качества цементирования.
Примечание: символы в таблице обозначают следующее м - входные переменные, исключенные с целью устранениямуль тиколлин еарнос ти; — входные переменные, исключенные в связи с отсутствием влияния их на выходные переменные;
Многочисленные исследования, проведенные как в Советстком Союзе, так и за рубежом, дают основания считать, что в силу ряда физико-механических явлений (значительно меньшая прочность корки по сравнению с цементным камнем /Ї.ІЗ/, обезвоживание и растрескивание ее при контракции цементного камня /2.8, 2.627), глинистая корка создает потенциальную опасность возникновения каналов между разнонапорными пластами. В связи с этим разработано значительное количество мероприятий, призванных устранить отрицательное влияние корки. Эти мероприятия можно разделить на две группы:- удаление глинистой корки путем воздействия потоков моющих буферных жидкостей и цементного раствора / 3.lJt а также в ходе предварительной обработки ствола скважины механическими, гидравлическими, физикс химическими, акустическими или комбинированными способами /"2.53, 1.30, 3.8, 2.70, 3.1, 3.13, 3.10, 3.97;- модификация свойств глинистой корки за счет применения специальных буферных жидкостей /"3.13, 2.60У и цементных растворов с твердеющим фильтратом / 4.4 7.
Данные, приведенные в табл. 2.7, свидетельствуют, что во второй группе параметр исключен с целью устранения мульти-коллинеарности. Здесь это влияние проявляется опосредствованно через 2)F - критерий и будет рассмотрено позднее. В первой группе влияния толщины глинистой корки на вероятность отсутствия прорыва вод при освоении не обнаружено. Это говорит об отсутствии значительных перепадов давлений между водоносной и нефтеносной частями пласта и подтверждает сделанный ранее вы -вод о благоприятности условий крепления в этой группе.
Непосредственно влияние фактора о отражается в первой группе на выходных переменных lj2 и У-j-g (рис. 2.5).
Приведенные зависимости показывают, что с увеличением уменьшается коэффициент плотности контакта и в то же время снижается высота недоподъема цемента. Интересно отметить совершенно аналогичный характер зависимости У и 7jg от о , что говорит о тесной взаимосвязи указанных выходных переменных, обусловленной экранирующим воздействием глинистой корки на проницаемые коллекторы. При этом, если влияние о на У » В00 3ще говоря, мало, то влияние о на У-j-g весьма существенно.
Полученный характер зависимостей дает основания для утверждения о том, что в условиях первой группы перспективными представляются такие направления повышения качества крепления, которые направлены не на удаление глинистой корки, а на модификацию ее свойств. При этом модификация должна проводиться таким образом, чтобы сохранить благоприятную роль глинистой корки как экрана и в то же время обеспечить хорошее сцепление с ней затвердевшего цементного камня / 3.13./.
Приведенные зависимости имеют резкий перегиб при величине о равной, приблизительно, 2,5 мм. При достижении указанной толщины глинистой корки обе функции отклика (yj2 и yjg) постепенно стабилизируются. Данное обстоятельство хорошо согласуется спредставлением о переменной по толщине прочности глинистой корки. Интересно отметить совпадение "критической" величины о с данными, которые были получены авторами f 3.13 J во время стендовых исследований влияния толщины глинистой корки на качество изоляции пластов.
Влияние кривизны скважины на качество цементирования во второй группе не рассматривается по тем же причинам, что и влияние v . В первой группе имеется существенное влияние е лищь на величину коэффициента плотности контакта (рис. 2.6).
Из рисунка видно, что диапазон изменения аС невелик. Это связано с тем, что входит в число факторов, влиявдих на классификацию скважин по группам. Поэтому увеличение аС свыше 320 приводит к переводу исследуемого объекта во вторую группу. В исследованном же диапазоне увеличение оС вызывает рост коэффициента плотности контакта. Данный вывод, противоречащий, на первый взгляд, общепринятым представлениям /"3.6, 1.3, 2.7J\ может быть объяснен следующими обстоятельствами.
Все скважины Боровско-Залесской зоны, попавшие в первую группу, пробурены как вертикальные. В связи с этим незначительные отклонения от вертикали носят случайный характер и имеют место, как правило, в нижней части ствола скважины, то есть в интервале подъема цемента. Среднее количество центраторов на одну эксплуатационную колонну в первой группе составляет примерно 7 штук при интервале центрирования 153 м (см.табл. П.3.1). По всей видимости, такая технология не способна обеспечить эффективного центрирования эксплуатационной колонны, поэтому ее расположение в "вертикальной" скважине всегда будет эксцентричным. Это, в свою очередь, вызывает возникновение застойных зон (рис.2.7а). При незначительном же искривлении нижней части скважины возникает эффект центрирования эксплуатационной колонны за счет самого профиля ствола (см.рис. 2.76). Из схемы видно, что полнота вытеснения бурового раствора во втором случае больше, величина же застойной зоны уменьшается. Следовательно, увеличивается коэффициент плотности контакта. Естественно, что в наклонно- направленных скважинах, где в интерва
Исследование влияния упругости и режимов движения БУР на качество цементирования
В рамках данной работы качество цементирования скважины оценивается тремя параметрами: наличием или отсутствием прорыва воды во время освоения; коэффициентом плотности контакта; высотой недоподъема цементного раствора до запланированного уровня. Естественно, что при таком разнообразии требований, предъявляемых к качеству цементирования, трудно ожидать, что какое-либо мероприятие, в том числе и вязкоулругии разделитель, может в полной мере удовлетворить условию выполнения всех и каждого из них. Последнее подтверждается приведенными выше результатами статистических исследований промысловых данных.
Положительный эффект от применения БУР заключается, по всей видимости, в увеличении коэффициента вытеснения. Это улучшение, естественно, тем заметнее, чем в большей степени сами условия цементирования способствуют возникновению застойных зон. Именно такими условиями и отличаются скважины второй группы. Кроме того, результаты статистических исследований свидетельствуют, что применение БУР само по себе не способно ни увеличить высоту подъема цементного раствора, ни повысить плотность контакта цемента с ограничивающими поверхностями.
Последнее подтверждается результатами стендовых исследований, проведенных авторами /"2.74 J,
Что касается непосредственно увеличения коэффициента вытеснения бурового раствора цементным, то здесь, наряду со свойствами БУР, очень большое значение имеет технология его применения. Именно различиями в технологии и обусловлена различная эффективность применения БУР в аналогичных условиях. С другой стороны, свойства БУР и, в частности, его упругость до сих пор не регламентируются ни в одной из инструкций или руководств.
С целью выработки требований к свойствам вязкоупрутих разделителей и выявления технологических параметров, обеспечивающих эффективное применение БУР, нами проведен ряд промысловых и лабораторных исследований.
На данном этапе исследования заключались в прокачивании порций БУР через скважину до выхода его на устье. Работы проводились на двух скважинах Бугурусланского УЕР. Конструкции опытных скважин приведены в табл. 3.5
В качестве БУР использовался гель, получаемый при смешении бентонитовой суспензии 10-20 -ной концентрации и 1 -ного водного раствора полиакриламида в соотношении 3:1 (глинополи-мерный БУР) / 4.3_/. Выбор данного состава был обусловлен тем, что такая композиция позволяет получать широкий спектр свойств БУР простым изменением концентрации бентонитовой суспензии, что особенно важно в условиях ограниченного времени проведения производственного эксперимента.
Схема приготовления, закачивания и продавливания БУР в скважину представлена на рис. 3.22. В соответствии со схемой, приведенной на данном рисунке, эксперименты проводились следующим образом.
В цементировочном агрегате 12 предварительно производилось приготовление 1 -ного водного раствора полиакрилашда. Вода для приготовления данного раствора набиралась агрегатом из емкости 10. Полиакриламид в виде 8 -ного геля постепенно вводился в воду через дополнительную емкость с фильтром II. После введения полиакриламид перемешивался при круговой циркуляции до полного растворения.
Также предварительно в гидромешалке производилось приготовление 20 -ной бентонитовой суспензии. Приготовленная суо -пензия с помощью бурового насоса подавалась в цементировочный агрегат 13. При необходимости уменьшения концентрации суспензии вода для этой цели подавалась в агрегат 13 цементировочным агрегатом 12.
Глинополимерный ВУР получался путем смешения бентонитовой суспензии с водным раствором ПАА в соотношении 3:1. Смешениеосуществлялось при параллельной работе агрегатов 12 и 13. При этом агрегат 12 откачивал 0,33 м3 водного раствора полиакрила-мида на первой скорости, а агрегат 13 - 1,0 м3 бентонитовой суспензии на третьей скорости. При смешении получался 1,0 м3 вязкоупругого разделителя, что соответствует заполнению кольцевого пространства, высотой 20-25 м /"4.2, 4.7 J.
Продавливание БУР в скважину, в зависимости от величины требуемого объемного расхода, осуществлялось буровым раствором с помощью цементировочных агрегатов 14 и 15, а также буровых насосов 5 в различных комбинациях. Продавливание заканчивалось после полного выхода БУР из скважины.
В каждом эксперименте контролировался определенный набор параметров, характеризующих как процесс продавливания, так и свойства БУР до входа и после выхода из скважины (табл. 3.6).
Эксперименты проводились по следувдему плану. Продавливание осуществлялось с производительностью насосов, обеспечивающей достижение следующих значений градиентов скорости потока по зазору: 20,40, 80 и 160 с"1. Выбранная величина градиента скорости поддер&ивалась постоянной в течение всего процесса продавливания БУР. Такая методика проведения экспериментов позволяет сопоставить полученные данные с результатами математического моделирования влияния параметра в-п на вероятность отсутствия прорыва воды при освоении (см. рис. 2.13). При указанной величине градиента скорости прокачивались три порции БУР, приготовленные, соответственно, из бентонитовой суспензии 10,15 и 20 -ной концентрации. К сожалению, ряд организа -ционных и технических трудностей не позволил выполнить намеченный план в полном объеме.В связи с тем, что эксперименты проводились на двух скважинах с различной конструкцией (см.табл. 3.5), вытеснявдая
Оценка эффективности разработанных мероприятий
О высокой эффективности разработанной технологии, предусматривающей применение многокомпонентных вязкоупрутих буферных систем и специальной гидравлической программы процесса цементирования, свидетельствуют уже результаты вероятностно-статистических исследований. Кроме того, в период с 1976-по 1981 г.г. в Бугурусланском УБР происходило промышленное внедрение разработанных мероприятий. Новая технология в полном объеме применена на 102 скважинах, по геолого-техническим условиям относящихся ко второй группе (см.приложение 7). Все скважины зацементированы качественно. Экономический эффект от внедрения разработанных мероприятий составил 235,4 тыс.руб.
В то же время на ряде скважин, также относящихся ко второй группе, разработанные мероприятия не применялись вообще, приме- нялись отдельные элементы новой технологии или же, в случае использования многокомпонентных вязкоупрутих буферных систем, имелись отклонения от рекомендуемых значений градиентов скоростей. Исследование влияния всех таких отступлений от технологии на качество цементирования позволяет проанализировать оптимальность предложенной технологии и, тем самым, наглядно представить ее эффективность (табл.4.I).
Для сравнения ниже приведены результаты цементирования скважин, в которых разработанные мероприятия были применены в полном объеме.- Технология цементирования для условий, позволявдих создавать турбулентный режим движения цементного раствора:- Технология цементирования с ограничением скоростей движения жидкостей: Уц= 100 %, 2=83 %, Уяз= 36 м.
Приведенные данные свидетельствуют, что разработанные мероприятия при правильном их использовании обеспечивают качественное цементирование скважин в сложных геолого-технических условиях. Отклонения от предлагаемой технологии как в части компонентного состава буферных систем, так и в части режимов движения жидкостей, существенно снижают качество работ на заключительном этапе строительства скважин.1. В результате проведения кластерного анализа установлено, что скважины, расположенные на месторождениях Боровско-Залесской зоны, могут быть разделены на две группы, отличающиеся геологическими и т,есметрическими характеристиками призабойных зон и характеризующиеся различной эффективностью работ по повышению качества цементирования. С физической точки зрения данные различия заключаются в том, что во второй группе значительно сильнее, чем в первой, проявляются предпосылки для возникновения межплас-товых перетоков. Разработаны решающие правила в виде дискрими-нантных функций для классификации скважин по группам.2. Методом группового учета аргументов синтезированы математические модели, которые характеризуют влияние геологических, технических и технологических факторов на различные аспекты качества цементирования (вероятность отсутствия прорыва вод, коэффициент плотности контакта, высоту недоподъема цемента). Анализ полученных моделей позволил установить следующие закономерности.
- В тех случаях, когда имеются предпосылки для возникновения межпластовых перетоков (в условиях второй группы), толстая (более 2,5 мм) глинистая корка, значительные кривизна (более 320») и кавернозность (более 1,8) ствола скважины способствуют созданию флюидопроводящих каналов между разнонапорными пластами. В условиях первой группы глинистая корка оказывает экранирующее воздействие на пласты, способствуя достижению проектного уровня подъема цемента и снижая плотность контакта цементного камня с ограничивающими поверхностями. Незначительная кривизна скважин вызывает центрирующий эффект и тем самым повышает коэффициент плотности контакта. Небольшие каверны ( Кк Щ за полняются цементным раствором и не могут служить путями для движения пластовых флюидов.- Местная турбулизация потока цементного раствора, истека-щего из башмака эксплуатационной колонны, способствует повышению степени заполнения затрубного пространства. Зона местной турбулизации достигает 80 м, интенсивность затухания вихрей в ней подчиняется гиперболическому закону.
- Существует оптимальная, с точки зрения разобщения пластов, величина кольцевого зазора, равная 30-55 мм. Увеличение кольцевого зазора благоприятно сказывается на увеличении высоты подъема цемента.
- При планировании скоростных режимов движения жидкостей в скважине необходимо особое внимание уделять моменту заполнения фронтом цементного раствора зоны разобщаемых пластов, так как образовавшиеся застойные зоны уже не ликвидируются при последующем увеличении скорости. Степень заполнения цементным раствором зоны продуктивного пласта в наибольшей мере зависит от параметра "градиент скорости восходящего потока по зазору в зоне продуктивного пласта" - &п . Во второй группе наилучшее качество разобщения пластов достигается либо при структурном( G-n 25 с"1), либо при турбулентном ( &п 180 с""1) режимах течения. В первой группе положительного влияния структурного режима течения не отмечается. С целью обеспечения наилучшего контакта цементного камня с ограничивающими поверхностями необходимо стремиться к созданию максимально допустимого градиента скорости движения цементного раствора во время про-давливания. В то же время подобное увеличение приводит к росту вероятности недоподъема цемента.- Применение моющих буферных жидкостей способствует, с од ной стороны, более качественному разобщению пластов, но может вызвать недоподъем цементного раствора. И то и другое связано с разрушением и удалением глинистой корки. Интенсивность этого разрушения увеличивается с ростом столба и скорости движения буферной жидкости.- С точки зрения улучшения качества разобщения пластов вболее сложных условиях второй группы первостепенное значениеприобретают те параметры жидкостей, которые определяют эффективность вытеснения и замещения бурового раствора цементным.
В первой группе, напротив, более существенны факторы, определяющие состояние цементного кольца. В целом для повышения качества цементирования необходимо стремиться к снижению вязкости, водоотдачи и плотности промывочной жидкости. Положительное влияние на улучшение качества крепления оказывают также увеличение текучести цементного раствора и прочности тампонажного камня. Весьма существенно также положительное влияние сокращения сроков набора прочности цементным камнем. Непременным условием повышения прочности цементного камня является недопущение увеличения консистенции исходного тампонажного раствора.
В условиях Боровско-Залесской зоны на качество цементирования существенное влияние оказывает установка на эксплуатационную колонну двух элементов технологической оснастки: па кер-фильтров и центрирующих фонарей. При этом дрименение пакер фильтров в первой группе не только не целесообразно, но дажевредно, так как вызывает недоподъем цемента. Во второй группеданное мероприятие является одним из наиболее мощных средств
