щ
ракурс
О качестве
пробуренной скважины и ее крепи
А.И. БУЛАТОВ,
д.т.н., профессор, г. Краснодар
bulatov-a@yandex.ru
О герметичности крепи говорит автор многочисленных монографий, посвященных этой теме, много десятилетий изучавший процесс крепления скважин в когда-то головном институте - во ВНИИКРнефти. Своеобразная лекция о креплении скважин при бурении.
REGARDING THE QUALITY OF A DRILLED WELL AND ITS LINING
A. BULATOV, Professor, Krasnodar
About the tightness of the lining says the author of numerous monographs devoted to this subject, many decades to the study of the process of casing is at once the head Institute in VNIIKRneft. A kind of lecture on the casing of oil wells during drilling.
Keywords: cementing, shoring tightness, contraction of cement mortars, casing string reciprocating
Что такое качество? Это наличие существенных признаков, особенностей, свойств, отличающих один предмет или явление от другого. Подходит ли такое определение для оценки качества завершающего этапа строительства нефтяной или газовой скважины? Нет, не подходит. Под качеством построенной скважины понимается герметичность крепи скважины. Конечно, устье скважины, должным образом оборудованное, следует держать чистым, выкрашенным или начищенным, должны быть убраны все посторонние предметы и т.д. Но главное - крепь скважины должна быть герметична, в ней не должно быть каналов или канальчиков, по которым способны двигаться флюиды пластов (главным образом, продуктивного). Это и есть качество скважины.
Почему ставится вопрос так, что именно ее (крепи) герметичность определяет качество результата при строительстве скважины? Разве не определяют качество скважины осложнения и даже аварии в процессе бурения? Недоподъем или переподъем цементного раствора в зако-лонном пространстве по сравнению с назначенной геологической службой высотой? Промоины в буровом инструменте
Более 1 □□ лет ученые-нефтяники и газовики бились над решением проблемы - предупреждения газонефтеводопроявлений по зацементированному заколонному пространству.
при циркуляции раствора и многое другое? Все это плохо - удорожает работы, затягивает время бурения и т.д. Но главное ли? Скважина может буриться быстро или медленно, но во всех случаях крепь скважины должна быть герметичной.
Что такое крепь и почему ей должно уделяться особое внимание? Крепь - это искусственное сооружение, включающее в себя обсадные трубы (колонну обсадных труб), цементное кольцо (камень из затвердевшего раствора, вяжущего с наполнителями, затворенные водой, обработанной химическими реагентами или без них) и стенка скважины, представленная породами различного химико-минералогического состава, травмированная при своем обнажении рабочим инструментом (долотом и трубами) и характеризующаяся наличием разных по форме и размеру каверн, различными размерами по радиусу, наклону к вертикали и формой (близкой к цилиндру или каналу с углами).
Для чего она сооружается? Для изоляции продуктивного горизонта: чтобы из него и в него не продвигались посторонние пластовые флюиды. А для этого крепь должна быть, по определению, герметичной, т.е. в ней не должно быть изначально или образовываться впоследствии каналов любого размера и зон изменения плотности.
В какой среде происходит формирование крепи? Сам по себе вопрос сложный из-за отсутствия информации. Тем не менее кое-что известно, кое о чем можно составить некоторое представление.
Форма канала и его направление в грубом приближении могут быть определены заранее и охарактеризованы как «цилинд-
ракурс
щ
рический» канал «определенной» направленности. Некоторую информацию дает профилемер - отличие от «цилиндрической» формы. И это все.
Чем заполнен канал, в котором впоследствии будет формироваться крепь? Глинистым раствором - это суспензия, состоящая из воды и глины, наделяемая с помощью введения некоторых наполнителей и химической обработки определенными свойствами, способствующими безаварийной скоростной проводке ствола скважины. Эпизодически применяют буровые растворы на нефтяной основе, т.е. в них вводится некоторое количество жидких углеводородов. Этот раствор должен быть замещен цементным (в большинстве случаев - портландцементным, при высоких забойных температурах - шла-копесчаным).
ПОИСКИ В ТЕМНОТЕ
Как эти растворы соотносятся? «Мешают» или «помогают» делу создания герметичной крепи? Опишем два направления их «деятельности». И оба мешают, чтобы не сказать больше.
1. Раствор на глинистой основе покрывает все пористые отложения глинистой коркой, т.е. не дает возможности обеспечить контакт стенки скважины с закачиваемым цементным раствором, который затвердеет в камень. Будет прослойка. Иными словами: даже если бы у твердеющего цементного раствора и породы (песчаника, например) существовало сродство и сцепление этой пары было возможным, -глинистая корка процессу сцепления помеха. Более того, глинистый раствор заходит (задавливается) во все полости и ниши травмированной стенки ствола скважины, там густеет (продолжая отдавать воду и становясь более концентрированным), и его из этих полостей невозможно извлечь никаким касательным потоком. Сказанное относится и к большим кавернам, и к маленьким «травмам».
На стенках обсадной колонны образуется глинистая «грязь», которая может быть смыта движущимся цементным раствором. Но здесь важен несколько иной аспект изменения ситуации в скважине: трубы «дышат» при колебаниях гидравлической нагрузки на них - их диаметр знакопеременно изменяется. Т.е. в тот момент, когда (возможно, очищенная от глинистой «грязи») металлическая труба могла бы химически «сцепиться» с твердеющим цементным раствором, она отрывается от него и через некоторое время снова соприкасается, т.е. «сцепление» не обеспечивается, хотя невозможно себе представить, чтобы поверхность трубы в результате движения цементного раствора стала химически чистой и последовало бы сцепление этой пары.
2. Теперь главное. Более 100 лет ученые-нефтяники и газовики бились над решением проблемы - предупреждения газонефтеводопроявлений по зацементированному заколонному пространству. Каждая новая группа ученых анализировала факто-
Уменьшить проявление контракционного эффекта твердеющих цементных растворов-камня - проблема решаемая, и мы способны уменьшить ее влияние на формирование каналов в цементируемом заколонном пространстве даже до нуля.
ры, которые подвергались рассмотрению предыдущей группой. Получалось то же, т.е. каждая последующая группа изучала все те же предполагаемые факторы, которые были причиной движения флюидов по зацементированному заколонному пространству. Т.е. все исследователи жевали-пережевывали одни и те же факторы в течение десятилетий, а крепь оставалась негерметичной. Как формулировались причины? «Низкая прочность цемента» (т.е. цементного камня до осуществления процесса цементирования), «плохое вытеснение глинистого раствора цементным», «односторонний подъем цементного раствора» - т.е. цементный раствор двигался «языком», «недоподъем цементного раствора» - т.е. до отметки, которую задавали геологи в целях перекрытия вышележащих пластов (без обоснования). Позже: «цементный раствор смешался с глинистым», «диффузия газа через цементный камень», «сверхдиффузия», «седиментация цементного раствора после задавливания его в за-колонное пространство скважины», «падение давления на продуктивный (газовый) пласт в процессе твердения цементного раствора».
Поэтому рекомендации во всех случаях были одни и те же: применение центрирующих устройств, увеличение скорости подъема цементного раствора в заколонном пространстве; позже: применение буферных жидкостей (различного назначения), установка муфт двухступенчатого цементирования и последующего цементирования верхней части
БУРЕНИЕ И НЕФТЬ 1 0/201 5
щ
ракурс
ствола скважины с разрывом во времени, вращение и/или расхаживание обсадной колонны во время движения цементного раствора в заколонном пространстве (последнее, трудоемкое и в некоторых случаях опасное) почти не применялось. А газонеф-теводопрявления не прекращались.
КЛУБОК РАСПУТАН. ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОДОЛЖАЮТСЯ
Значит, сотню лет масса специалистов не то и не там искали. Причины глубже. Мне повезло больше потому что я в течение пяти лет работал в лаборатории, где необходимость заставила изучить тампонажные цементы и даже создать новые - шлакопесчаные.
Основа осложнения. Для движения по зацементированному заколонному пространству флюидов, в первую очередь газа, необходимо наличие двух причин: давления, которое в газовом пласте всегда наличествует, и канала. Вот насчет канала - дело сложное и непонятное - его не должно быть, и без него движения газа быть не может, а газ движется; значит, он есть. Но как он образуется? Все оказалось просто (просто, когда клубок распутан). Возникновение каналов - следствие, своего рода, троянского коня, свойства самого минерального вяжущего - цемента (портландского, меньше шлакового, больше -так называемого расширяющего) - контракционного эффекта, проще - контракции цементного раствора-камня при их твердении. Эффект этот известен не менее 200 лет, изучен при комнатных условиях. Что же это такое?
Расхаживание (менее эффективно - вращение) обсадной колонны во время движения цементного раствора в заколонном пространстве - это кардинальное мероприятие по обеспечению герметичности крепи почти на 1 □□%.
Контракция - это дефицит общего объема при соединении цемента с водой, загустевании и твердении цементного раствора и камня. Т.е. взяли V воды и V цемента: при затворении цемента водой общий объем меньше 2V. Почему? Каждое зерно цемента принимает в себя воду, почти без изменения объема. Зерен много, общее поглощение воды существенное и равное, в зависимости от физических условий, от 8 до 10%. Это количество воды принимается из окружающей среды; в скважине - из соприкасающихся остатков невытес-ненного бурового раствора и глинистой корки. В зависимости от соотношения объемов цементного и оставшегося глинистого раствора или глинистой корки в последних возникают каналы различного размера и протяженности (и/или зоны пон
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.