Проектирование эксплуатационной скважины на Ватинском месторождении

Последствия некачественного первичного цементирования могут быть самыми серьезными. При неполном удалении бурового раствора могут остаться каналы, создающие взаимодействие между подземными зонами или с поверхностью. Подобным же образом наличие проблем при разделении растворов между собой при закачке может свести на нет самые совершенные планы или наилучшие проекты и выражаться в неэффективном удалении бурового раствора или загрязнении, что приведет к тому, что цементный раствор вообще «не схватится». Подход к строительству скважины как к серии взаимосвязанных процессов, в которых важную роль играют и цементный и буровой растворы (полный контроль над растворами), ведет к более управляемому, системному процессу, конечной целью которого является оптимальный ствол скважины.

Так сложилось, что буровые растворы и цементаж рассматриваются как самостоятельные виды сервисных услуг, и отсутствие четко сформулированных общих конечных целей представляет собой препятствие на пути к оптимизации этих работ. Улучшение работ с буровыми и цементными растворами требует совместной работы буровиков и тампонажников от самого начала строительства скважины до его завершения с тем, чтобы отбирать такие буровые растворы которые обеспечивают достижение конечных целей, но не препятствуют качественному цементированию. Серьезное внимание следует уделять созданию откалиброванных стволов, что обеспечит центровку обсадной колонны. При бурении может потребоваться снижение скорости проходки -- от средней до высокой вместо очень высокой -- если это поможет улучшить условия в стволе, снизить расходы на первичное цементирование и исключить или уменьшить дорогостоящий капремонт. Необходимые для этого элементы имеются и в большинстве случаев они имеются непосредственно на объекте. Усилия часто дают сбои там где не хватает координации и управления всем процессом для получения максимальной выгоды. Успех, с точки зрения конечного продукта -- надежный, долговечный ствол при минимальных затратах -- должен быть стимулом для переосмысления и модификации целей применения растворов.

Более верное понимание процесса вытеснения раствора в затрубном пространстве является ключевым элементом который уже используется. Критерии цементирования улучшены благодаря физическому и машинному моделированию. Компьютерные программы для моделирования и проектировки работ позволяют учесть на качественном уровне несметное количество факторов растворов и их сложнейшее взаимодействие, связанное с первичным цементажом, а в большинстве случаев возможен также и количественный учет. Весь процесс (удаление бурового раствора и заливка цементного), включая оптимизацию, режимы потоков в затрубье, буферную жидкость между буровым и цементным раствором, выбор и вытеснение раствора в трубе, теперь можно оценить на стадиях планирования и проектирования, во время оптимизации бурового раствора, а также до или после проведения работ.

Высокие скорости потока вытесняют буровой раствор эффективно тогда, когда достигнут турбулентный поток по всему затрубью, но жизнеспособными они становятся только если диаметры обсадной колонны и ствола относительно невелики, а эксцентричность обсадной колонны по отношению к стволу адекватна. Более низкие скорости потока тоже могут во многих случаях успешно вытеснять буровой раствор, когда высокие скорости не имеют особого практического значения, а вот более сложные проектировки и модификации растворов часто более необходимы для получения ламинарного вытеснения. Для лучшего соответствия критериям вытеснения бурового раствора необходимы буферные жидкости с контролируемыми свойствами -- способностью удерживать во взвешенном состоянии утяжеляющие реагенты приемлемыми скоростями турбулентности, регулируемой реологией, совместимостью, низкой водоотдачей и широким диапазоном применений [10].

И, наконец, чтобы замкнуть круг растворов, необходимо понимание процессов вытеснения внутри трубы, так как разница в плотностях может. вызывать взаимосмешение растворов или прорыв буферных жидкостей в буровой раствор, цементного раствора в буферную жидкость или привести к смешению начальной и конечной порций раствора. Для исключения типичных проблем цементажа, наряду с лучшим пониманием и применением потока жидкости и механики вытеснения, необходима более тщательная разработка систем буровых растворов, буферных жидкостей и цементных растворов (рис. 9).

Рис. 9. Традиционные проблемы цементажа (стрелки),связанные с бурением, удалением бурового раствора и его вытеснением.

Интегрированное применение буровых и цементировочных растворов

Раньше работы с буровыми и цементировочными растворами осуществлялись по отдельным сервисным контрактам и, зачастую, разными компаниями. А принцип часто был такой: «бури как можно быстрей, а о цементаже начнем думать, когда достигнем истинной глубины». При этом часто игнорировались другие цели и задачи, а также отрицательные последствия, возникающие при смешивании некоторых растворов. В принципе, вместо разделения работ с буровыми и цементными растворами их можно объединить в единый интегрированный процесс. Менталитет изолированных услуг заменяется общей целью создания программ совместимых растворов с тем, чтобы обеспечить оптимальность всего процесса и его результатов. Местнические соображения уходят в прошлое, и две дисциплины совмещаются для получения максимального эффекта от всех растворов. участвующих в процессе строительства скважины.

Здесь необходимы хорошие преемственность и координация при проектировании. Проекты цементажа разрабатываются до завершения буровых работ, поэтому выбор между режимами потоков -- турбулентным или ламинарным -- а также свойства буферной жидкости определяются исходя из диаметра ствола и характеристик бурового раствора. Решения, принимаемые в последнюю минуту, или неожиданные вариации внутрискважинных условий ставят тампонажников в невыгодное положение. Нарушения размера ствола и размывы затрудняют удаление бурового раствора и центровку обсадной колонны и могут помешать использованию предпочтительного турбулентного потока. Низкая эксцентричность ведет к большим радиальным вариациям скорости потока жидкости в затрубье вокруг обсадной колонны, где скорость на широкой стороне выше, а на узкой стороне ниже. Это, в свою очередь, выражается в неэффективном вытеснении из затрубного пространства и потенциально некачественном цементном камне или приводит к каналообразованию. При тампонажных работах отношение наружного диаметра обсадной колонны к диаметру ствола близится к единице, поэтому поток в затрубье можно рассчитать с помощью базовой щелевой модели (рис. 10).

Рис. 10. Профили скорости потока в затрубном пространстве с 60-процентной эксцентричностью.

При тампонажных работах отношение наружного диаметра обсадной колонны к диаметру ствола скважины близко к единице и условия потока и затрубье можно оценить и рассчитать, представив, что поток проходит через щель (вставка). Если поток в затрубье однороден, то отношение локальной скорости к средней равно единице. В случае с ньютоновскими жидкостями как, например, вода в турбулентном потоке, профили скорости относительно плоские с потоком ниже среднего в узком зазоре и выше среднего -- в широком. Вязкие неньютоновские жидкости вроде полимеров в ламинарном потоке движутся главным образом по широкой стороне и могут быть неподвижны в узком зазоре затрубья. Увеличенная подача насосов или большая эксцентричность улучшают скорость потока на узкой стороне затрубья.

Качество цементажа может также зависеть и от состава буровых растворов. Например, нельзя получить зональной изоляции, пока из затрубья не будут удалены буровой раствор и шлам. Рецептура буровых растворов, поддержание их свойств и обработка должны обеспечивать оптимальные конечные условия в стволе, и непосредственно перед цементированием буровой раствор необходимо подвергнуть окончательной оптимизации для облегчения его удаления буферной жидкостью и цементным раствором. Идеальные буровые растворы для эффективного вытеснения -- это нетиксотропные растворы, обладающие пониженными статическим напряжением сдвига, пластической вязкостью и пределом текучести; низкой плотностью, облегчающими вытеснение подъемными силами; минимальной водоотдачей, препятствующей образованию толстых фильтрационных корок и дифференциальному налипанию, а также химически совместимые с цементными растворами. Однако, на практике получить совершенный буровой раствор невозможно, поэтому необходимо приложить усилия для максимального приближения к идеальным характеристикам при разработке рецептуры бурового раствора, поддержании его свойств и прокачке перед цементажом.

Для качественного удаления бурового раствора его плотность и реологию следует поддерживать на низком уровне. С каждой последующей границей раздела между растворами вес и вязкость вытесняющего раствора возрастают, что может выразиться в неприемлемо высокой плотности и вязкости цементного раствора и в возможной потере циркуляции в случае, если начальный вес бурового раствора слишком велик. Одной прокачки и оптимизации бурового раствора перед заливкой цемента недостаточно; в течение всего процесса бурения необходим эффективный химический контроль за твердыми фракциями и реологией. Если буровые растворы спроектированы неправильно или теряют свои свойства при буровых работах или каротаже, то в размывах или на узкой стороне затрубья может остаться сгустившийся буровой раствор трудно поддающийся удалению.

Совместимость растворов также оказывает влияние на процесс вытеснения в затрубном пространстве. Смеси растворов должны обладать более низкой реологией, чем индивидуальные растворы, но поскольку этого трудно достичь с буровыми растворами и буферными жидкостями, то при разработке рецептур следует предусматривать минимальные значения вязкости. Проблемы возникают также и тогда, когда цементный и буровой растворы перемешиваются внутри обсадной колонны или за ее пределами. Некоторые добавки к буровым растворам могут либо ускорять, либо замедлять время схватывания цемента. Однако, чаще всего перемешивание бурового и цементного растворов выражается в образовании смесей высокой вязкости; соответственно растет давление, вызванное вязким трением, что в свою очередь, приводит к чрезмерному повышению давления наземных насосов, преждевременному прекращению работ и неэффективному вытеснению. Жидкости химической промывки и буферные жидкости изолируют между собой эти потенциально несовместимые растворы, однако неожиданные отклонения в составах могут помешать тампонажникам поддерживать это разделение. Этого можно избежать, разделив растворы в обсадной колонне и хвостовиках цементировочными пробками.

Кроме соображений вытеснения, серьезным вопросом являются затраты на цементирование, связанные с увеличением размера ствола от размывов или кавернозности. Дополнительные затраты в связи с большими объемами цемента вопросов не вызывают, однако затраты на дополнительные центраторы для получения требуемой центровки для эффективного удаления бурового раствора часто недооцениваются (рис. 11).

Рис. 11. Зависимость затрат на цементаж от размера ствола.

Затраты на дополнительные центраторы для получения необходимой центричности часто упускаются из виду. По мере увеличения диаметра ствола от 6,5 до 8 дюймов суммарные затраты на центраторы и цемент для заливки интервала от 2440 м общей глубины до 1520 м с использованием плотности раствора 1,97 г/см с умеренной водоотдачей возрастают почти в три раза -- с 7850 до 22500 долларов США.

Немаловажное значение также имеют затраты на буферную жидкость. Увеличение размеров ствола требует более высоких скоростей потока для создания турбулентности, что диктует наращивание объемов буферной жидкости. Например, если диаметр ствола возрастает с 6,5 до 8,0 дюймов, то скорость потока, необходимая для получения турбулентности, увеличится с 0,64 до 2,2 м³ в минуту, а затраты на стандартную буферную жидкость возрастут с примерно 6,5 до 15,5 тыс. долларов.

Затраты на капремонт -- это еще один стоимостной компонент, который часто упускается из виду при раздельном проведения буровых и тампонажных работ. Как правило, если первичный цементаж выполнен неудачно, и необходимо продавливание цемента, то для получения зональной изоляции требуется более, чем одна попытка. Затраты на ремонтные тампонажные работы, включающие стоимость цемента, перфорирования, пакеров и время подъемника, сравнимы с затратами на первичное цементирование или даже их превышают.

Интегрирование работ с буровыми и цементными растворами в Канаде

Интегрированный подход к работе с буровыми и цементными растворами доказал свою целесообразность в западной Альберте, Канада, где вертикальные скважины бурятся в рыхлых породах до глубины в пределах 2100 и 2300 м. Исторически буровые и цементные растворы поставлялись одной компанией, а бурение и цементаж проводились раздельно, что не отвечало общим задачам. Буровики старались снизить затраты, непосредственно связанные с расходом бурового раствора, а тампонажники пытались сделать все от них зависящее в полученных, в результате, условиях пробуренного ствола. При раздельном проведении работ затраты на буровые растворы по четырем скважинам, пробуренным с использованием бентонитового раствора, и по трем. в которых использовался частично гидролизованный полиакриламидный раствор (РНРА), составили 26,6 тыс. долларов на скважину, или 11,75 долларов на метр проходки. Среднее увеличение объема ствола составило 113%, а на его проходку уходило 23 дня. Временные потери из-за проблем в стволе и его проработку составили 24 часа на скважину[источник 11].

Некоторые рабочие характеристики буровых растворов были приемлемы, а элементы геометрии ствола, с которыми пришлось иметь дело тампонажникам, оказались неприемлемыми. Бентонитовый буровой раствор оказался неподходящим для номинального ствола, а полиакриламидный не смог предотвратить размывы, отвечающие за основной перерасход средств при цементаже. Увеличение объема стволов компенсировалось дополнительной заливкой цемента при осознанном риске каналообразования вследствие уменьшения скоростей потока в размывах. Цементаж этих семи скважин обошелся в 103,75 тыс. долларов на скважину или 46 долларов на метр проходки -- в четыре раза выше расходов на буровые растворы. Суммарные издержки на растворы составили свыше 130 тыс. долларов на скважину, или 56,60 долларов на метр ствола.

Целью комбинированного подхода к использованию бурового и цементного растворов на двух последующих скважинах было коренное улучшение сложившейся практики. Была поставлена задача снижения общих затрат путем улучшения калибровки размера ствола и уменьшения объемов цементного раствора. Проведенный анализ показал, что причиной размывов в этих скважинах явилась рыхлость пород, поэтому, ввиду неудач при использовании даже умеренно ингибирующей полиакриламидной системы, для сведения к минимуму кавернозности ствола был выбран раствор, представляющий собой смесь гидроокисей металлов (ММН) с уникальной реологией.

После того, как эта усовершенствованная программа была реализована, в номинальных стволах стало возможным улучшение центрирования обсадных колонн и дизайна вытеснения -- для полученной геометрии стволов был выбран ламинарный режим потока растворов. Буферные жидкости уверенно вытесняли растворы ММН из затрубья, а данные каротажа указывали на качественный ввод цемента и успешность зональной изоляции. Выход цемента на устье в сопоставлении с закаченным излишком в расчете на объем кавернозности ствола означал минимальное каналообразование, если не полное его отсутствие, в обеих скважинах, пробуренных с использованием бурового раствора ММН. В то же время, в трех скважинах из семи предыдущих каналообразование было очень сильным, а в одной из них наблюдались значительные потери цементного раствора при его заливке.

При бурении первой пробной скважины впервые на этом месторождении появился водоприток. Хотя большая часть 57-процентного размыва находилась в интервале появившегося водопритока, это хорошо стыкуется с 100-процентными размывами на соседних скважинах. Затраты на буровой раствор превысили среднюю величину этих затрат на соседних скважинах, так как разжижение, плохая устойчивость ствола и необходимость в повышении плотности потребовали использования дополнительных объемов материала, что резко подняло стоимость работ. Тем не менее, были получены и позитивные результаты -- ствол стал лучше откалиброван по диаметру, и расходы на цемент снизились до 64% средних затрат.

При разбуривании второй пробной скважины не было никаких потерь, и пройдена она была за минимальное число дней, несмотря на умеренную скорость проходки. Потери времени на бурение оказались самыми низкими по этому месторождению, а размывы снизились до 29%. Затраты на буровой раствор в размере 43 тысяч долларов были на 25 тысяч выше средних затрат на скважину, однако затраты на цементаж в размере 45 тысяч долларов оказались более чем вдвое ниже, чем на цементирование предыдущих скважин.

Суммарные затраты на растворы по этому месторождению оказались рекордно низкими -- 32% экономии по сравнению со средними затратами на соседних скважинах. Цель по снижению общих затрат на растворы при строительстве скважин была достигнута через уменьшение размывов, а более высокие затраты на буровой раствор для минимизации кавернозности ствола были более, чем скомпенсированы экономией средств на цементировании. Хорошее бурение не предопределяет успешность цементирования, а плохое бурение может привести к невозможности успешного цементажа.

Промывка ствола: Оптимизация бурового раствора

Операции по первичному цементированию часто характеризуются многоплановостью задач. При длинных промежуточных обсадных колоннах предпочтительнее использовать сплошное цементное кольцо от подошвы до кровли, но хорошая герметизация в нижней части обсадной колонны и в интервале установки башмака может быть достаточной, если считать последнее первичной задачей цементажа, а цементное кольцо -- вторичной. Для хвостовиков изоляция от башмака (подошвы) может играть такую же важную роль как и герметизация в месте расположения хвостовика в обсадной колонне (вверху). Характер проектов цементировочных работ определяется их назначением. Для успешного решения проблем цементажа необходимо лучше понимать и использовать поток раствора, вытеснение и заливку раствора одновременно с тщательным подбором рецептур бурового раствора, буферных жидкостей и цементных растворов. Заливка цемента имеет важное значение в большинстве случаев; удаление бурового раствора имеет решающее значение для всех цементировочных работ.

Эксцентричность по АНИ, %

Рис.12. Корректировка скорости турбулентного потока в зависимости от эксцентричности обсадной колонны.

Критическая скорость потока, необходимая для получения полной турбулентности вокруг зазора между обсадной колонной и стволом, удваивается с уменьшением эксцентричности обсадной колонны (STO) с 100 до 70%, а если эксцентричность падает до 30%, то эта величина становится больше почти в десять раз.

Общепринятая процедура состоит в том, чтобы до начала цементажа промыть скважину и оптимизировать буровой раствор. Раньше, однако, кроме общего требования по уменьшению вязкости, статического напряжения сдвига и водоотдачи, существовало еще несколько рекомендаций: привести к максимуму центровку обсадной колонны; буферные жидкости для разделения бурового и цементного растворов; произвести движения трубы -- вращательные или возвратно-поступательные; промыть по крайней мере двойной объем ствола и произвести заливку при высокой подаче насосов. Кроме того, буквально еще несколько лет назад при расчетах критических скоростей потока допускалось, что обсадная колонна отцентрована в стволе идеально. Однако, введение поправок в величину критической скорости потока на эксцентричность колонны имеет существенное значение, которое необходимо учитывать (рис. 12).

В начале 1990-х впервые начали учитывать фактор эксцентричности при разработке проектов работ и непосредственно на скважинах, используя методику WELLCLEAN -- оптимальное удаление бурового раствора -- в программном обеспечении CemCADE.

Перед заливкой цемента необходимо удалить из затрубья гелеобразный буровой раствор, однако часто трудно удалить буровой раствор, находящийся на узкой стороне эксцентричного затрубья. Эксцентричность обсадной колонны по отношению к стенкам скважины меньше 100% даже в вертикальных скважинах, а зачастую не превышает и 85%. При низких скоростях потока буровой раствор, с высоким пределом текучести и статическим напряжением сдвига, может оставаться в статичном состоянии на узкой стороне эксцентричного затрубья вследствие искажения скоростей, пониженных перепадов давления трения и даже из-за распределения напряжения сдвига по стенкам скважины (рис 13).

Рис. 13. Зависимости цементирования от геометрии бурения: значение эксцентричности

При низких значениях эксцентричности уменьшение перепадов давления трения в геометрии цементирования- обсадная труба большого диаметра в открытом стволе - значительно выше, чем в геометрии бурения- обсадная труба меньшего диаметра в открытом стволе. Таким образом, в геометрии цементирования эксцентричность производит двойной эффект на вытеснение в затрубье. Напряжение сдвига на стенках ствола и перепады ниже при меньших значениях центричности в эксцентричном затрубье, что еще более сближает проблемы удаления бурового раствора и цементирования. В прошлом в большинстве цементировочных проектов использовались модели бурения, в которых допускается концентричные затрубья.

А это нежелательно, так как неподвижный буровой раствор может загустевать и терять воду вследствие статической фильтрации в зонах проницаемости, что затрудняет выдавливание при его удалении и заливке цемента.

С учетом эксцентричности обсадной колонны необходимо определить условия, приводящие к нулевому потоку в узком зазоре затрубья. При отсутствии подвижности трубы перепады давления трения и разности в плотности являются единственными силами, приводящими буровой раствор в движение. Для того, чтобы буровой раствор продвигался по узким зазорам, необходимо, чтобы его предел текучести был меньше напряжения сдвига на стенках, генерируемого перепадом давления трения вследствие действия сил вязкости. Напряжение сдвига на стенках можно увеличить более высокими скоростями потока, улучшением центричности и увеличением разности плотностей, а статическое напряжение сдвига бурового раствора можно уменьшить перед спуском обсадной колонны.

Другим следствием неравномерности профилей скорости является наличие одновременно двух разных режимов потока. В эксцентричном затрубье возможны смешанные режимы потоков, если критическая скорость потока для турбулентности будет рассчитываться, как раньше, на основе концентричного затрубья -- обычно принимаемого допущения при моделировании гидравлики бурения. Растворы, демонстрирующие предел текучести и статическое напряжение сдвига, подобные тем, которыми обладают буровые и цементные растворы, могут сосуществовать в трех режимах потока: нулевой поток, если напряжение стенок ствола ниже предела текучести раствора в узкой части затрубья, турбулентный в широкой части и ламинарный в промежутке между ними (рис. 14).

Рис. 14. Режимы потока в затрубье.

Растворы, которые по расчетам находятся в турбулентном растворе при допущении идеальной центровки обсадной колонны, турбулентны, как сейчас считается, лишь в части затрубного пространства. Вообще, три режима потока -- нулевой, ламинарный и турбулентный -- могут сосуществовать в затрубье, что означает, что буровой раствор можно эффективно удалять на широкой стороне в то время, когда на узкой стороне статичный буровой раствор приводит к каналообразованию. В интервале между нулевым потоком на узкой стороне и полным турбулентным потоком вокруг затрубья удаление бурового раствора может оказаться плохим, если не подготовить должным образом проект вытеснения в ламинарном потоке.

Затрубное пространство: Удаление буровою раствора, заливка цемента

Процессы смещения в затрубном пространстве получили более глубокое понимание в конце 80-х -- начале 90-х гг. Раньше при проектировании работ эксцентричность обсадной колонны не учитывалась, даже несмотря на учет того обстоятельства, что она является причиной каналообразования и неудач при первичном цементировании. Надежные цементные оболочки и хорошая герметизация зависят от эффективного удаления бурового раствора турбулентным или, при определенных условиях, ламинарным потоком. Однако, растворы, которые по расчетам должны быть в турбулентном потоке при допущении идеальной центровки обсадной колонны, на самом деле могут прорываться в эксцентричном затрубье через буровой раствор, поскольку скорости потоков варьируются радиально вокруг эксцентричной обсадной колонны. Теперь, с помощью программы CemCADE, предназначенной для проектирования и оценки результатов цементажа, имеется возможность рассчитать циркуляцию бурового раствора, процессы вытеснения в затрубье и рекомендации по цементированию с учетом фактической геометрии скважины, центровки обсадной колонны и реологии растворов.

Даже если во время прокачки и оптимизации бурового раствора его статическое напряжение сдвига оказалось разрушенным, все равно вопрос о том, потечет ли цементный раствор в узкий зазор затрубья, нуждается в ответе. Если цементный раствор протекает преимущественно по широкой стороне затрубья. оставляя медленно движущийся буровой раствор или канал буферной жидкости на узкой, то хорошей заливки цемента и зональной изоляции не получится. Поэтому процесс цементажа следует рассматривать в двух частях: удаление бурового раствора и заливка цемента -- однородный поток цементного раствора без каналообразования -- каждая из которых зависит от правильного вытеснения вверх по затрубью и вниз по обсадной колонне. Увеличивающаяся эксцентричность улучшает вытеснение бурового раствора и ввод цементного; скорость вытеснения имеет значение для эффективного удаления бурового раствора в турбулентном потоке (рис. 15).

Рис. 16. Распределение бурового раствора, буферной жидкости и цемента по разным скоростям вытеснения, разным значениям эксцентричности и свойствам буферной жидкости.

В базовом случае (дальний слева) вдоль длины смоделированного затрубья оставлены каналы бурового раствора и буферной жидкости. По мере увеличения скорости вытеснения буровой раствор вытеснялся из узкой части затрубья, однако полной заливки цементного раствора не получилось из-за низкой скорости на границе раздела. Увеличение эксцентричности (STO) произвело резкий эффект на вытеснение бурового раствора и заливку цементного (в центре и внизу), однако ее дальнейший рост в этих условиях не привел к какому-нибудь существенному улучшению заливки цемента. Скорость, поэтому, важна для вытеснения бурового раствора и менее существенна для заливки цементного. На заливку цемента положительное влияние также оказали улучшенная центровка, более высокая скорость и разжиженная буферная жидкость для более эффективного турбулентного потока, подтвердив важность правильного подбора реологии растворов и особенно реологии буферной жидкости (крайний справа). [11]

Вытеснение бурового раствора с помощью буферной жидкости в турбулентном потоке представляет собой один из наиболее эффективных и широко применяемых способов цементирования. Начало турбулентного вытеснения бурового раствора восходит к 40-м годам. Впоследствии было признано, что примерно 10-минутный контакт турбулентных вытесняющих растворов с породой значительно улучшает вытеснение бурового раствора. Увеличение скорости вытеснения улучшает турбулентное вытеснение бурового раствора. А лучше всего работают жидкие, наподобие воды, менее вязкие буферные жидкости и ПАВ, которые легко вводятся и турбулентный поток при низкой подаче насосов, вероятно в связи с сочетанием сил волочения, эрозии и разжижения на границах раздела, благодаря вихрям турбулентности (рис. 17).

Жидкости химической промывки должны применяться в любом случае, а утяжеленные буферные жидкости, имеющие низкую реологию и температурную устойчивость и предназначенные для турбулентного потока, можно использовать, если необходимо, при некоторых условиях. Рекомендуется использовать максимальный объем химической промывки или буферной жидкости, не ставя при этом под угрозу контроль над скважиной, либо 10-минутный контакт в затрубье. Даже умеренные объемы жидкостей химической промывки, используемые одновременно с буферными жидкостями, уменьшают вязкость бурового раствора, что лучше, чем использование только буферных жидкостей.

Рис. 17. Вытеснение ксантанового полимера (8,6 кг/м³) растворами различной вязкости. Жидкие, наподобие воды, растворы вытесняют более густые благодаря увеличивающейся турбулентности.[11]

Величины подачи насосов, необходимые для получения турбулентности на узкой стороне затрубья, зависят от размеров ствола и эксцентричности обсадной колонны. Однако, получение турбулентности вокруг всего затрубья даже на узкой стороне требует высоких значений подачи насосов при обсадной колонне большого диаметра, что может оказаться непрактичным из-за ограничений наземного оборудования или градиентов гидроразрыва пласта. Достижение удаления бурового раствора турбулентным потоком становится труднее по мере увеличения размеров ствола и уменьшения эксцентричности, а при использовании утяжеленных буферных жидкостей оно становится даже еще более затрудненным. Критерии турбулентного потока для удаления бурового раствора из затрубья требуют турбулентности вокруг всего затрубного пространства, включая его узкую сторону, 10-минутного контакта жидких растворов предварительной промывки с пластом, а также схожих значений плотности у вытесняющего и вытесняемого растворов.

В случаях, когда турбулентный поток не представляет собой подходящий вариант, необходимо соответствующим образом рассчитать дизайн вытеснения бурового раствора с помощью буферных жидкостей и цементного раствора в ламинарном потоке. Такие дизайны более сложны, но для обеспечения эффективности вытеснения установлены соответствующие критерии. Эффективный ламинарный поток требует положительных плотностных контрастов (рекомендуется 10% везде, где только возможно), минимального градиента давления для преодоления предела текучести бурового раствора и положительных реологических иерархий для поддержания возрастающего давления трения и минимизации дифференциальной скорости между растворами. Положительный плотностной дифференциал, не зависящий от геометрии ствола, способствует созданию более плоской, устойчивой границы раздела и является первейшим условием проверки. В тех случаях, когда плотность цементного раствора близка к плотности бурового, а вес бурового раствора нельзя изменить, диапазон плотности буферной жидкости ограничен и может оказаться невозможным удовлетворить этому критерию.

Предел текучести вытесняемых растворов должен быть ниже напряжения сдвига на стенке ствола. Усилие, необходимое для продвижения буровых растворов по узкому зазору затрубья, определяется градиентом давления и его необходимо приложить до начала цементирования при промывке ствола буровым раствором, чтобы обеспечить продвижение всего бурового раствора и его оптимизацию. Если это усилие будет слабее, то некоторое количество бурового раствора останется в неподвижном состоянии на узкой стороне затрубья. При замещении бурового раствора более тяжелыми растворами в ламинарном потоке дифференциал плотности способствует удовлетворению этому условию, добавляя напряжение сдвига на стенках ствола (рис. 18).

Рис.18. Как плотность (р) влияет на вытеснение в ламинарном потоке.

Иерархия положительных плотностей (увеличение плотности каждого последующего замещающего раствора) намного улучшает удаление бурового раствора и сводит к минимуму каналообразование, благодаря эффекту подъемной силы. Чем больше дифференциальная плотность, тем лучше эффективность вытеснения (слева вверху). Подобно классическому примеру сообщающихся сосудов из основ физики, где жидкости выходят на тот же уровень не зависимо от размеров или формы сосуда, более плотные замещающие растворы стремятся к уравниванию в эксцентричном затрубье (справа вверху). Возрастающая плотность {вмещающего раствора намного улучшает профиль пограничной скорости и эффективность вытеснения как это демонстрируется растворами разного удельного веса (SG), вытесняющими раствор с удельным весом 1.0 (внизу). [11]

С помощью минимального градиента давления (MPG) уточняется подвижность раствора и определяется нижняя граница скорости потока, чтобы убедиться в том, что поток проходит по всему затрубью.

Для увеличения стабильности на границе раздела разность между значениями давления трения, создаваемого растворами, должна быть по крайней мере 20%, иначе замещающие растворы будут стремиться к прорыву через находящиеся перед ними растворы. При ламинарном потоке наиболее эффективными будут буферные жидкости с более высокой реологией -- гуще или более вязкие, чем буровой раствор (рис. 19).

Рис. 19. Как вязкость влияет на вытеснение в ламинарном потоке.

Положительная реологическая иерархия между замещающими и замещаемыми растворами при низких скоростях потока (Случай 2 вверху) выражается в более эффективном вытеснении, чем между замещающими и замещаемыми растворами при более высоких скоростях потока (Случай 1 вверху). Густые растворы обеспечивают более устойчивое вытеснение жидких в отличие от обратной ситуации. Пограничная скорость на узкой стороне затрубья улучшается по мере возрастания пластической вязкости замещающего раствора и предела текучести (более высокая реология) благодаря большим перепадам давления вязкого трения, создаваемого более вязкими растворами (внизу)

Это равнозначно буровым растворам с более низкой кажущейся вязкостью по сравнению с кажущейся вязкостью замещающей жидкости для данной скорости потока и геометрии затрубья. Здесь важную роль играет критерий давления вязкого трения, поэтому вначале всегда следует проводить проверку. Если нет по крайней мере 40-процентного дифференциального давления между буровым раствором и цементным, то ни буферная жидкость, ни цемент не могут удовлетворить этому критерию, поэтому необходимо изменить реологические свойства уменьшением до минимума предела текучести бурового раствора, его плотности и содержания твердых фракций во время его оптимизации до начала цементажа, либо повышением реологии буферной жидкости и цементного раствора (пластическую вязкость и предел текучести). Кроме того, удовлетворению этому критерию способствуют улучшение эксцентричности и увеличение дифференциалов плотности. Иерархия давления трения и минимальный градиент давления MPG устанавливают минимальные скорости потока.

Для получения относительно плоской границы раздела необходимо снизить до минимума дифференциальную скорость вокруг затрубья на границе раздела растворов. Сочетание дифференциалов плотности и давления трения помогает получению относительно плоской и устойчивой границы раздела, а также снижению возможности прорыва одной жидкости сквозь другую.

Сумма гравитационных и фрикционных сил при вытеснении растворов на узкой стороне затрубья должна превышать такую же сумму сил при вытеснении раствора на узкой стороне с тем, чтобы равновесие сил обеспечило равномерность потока по всему затрубью. Это условие может быть выполнено, если скорость потока в затрубье ниже критической величины (рис. 20).

Давление трения развивается быстрее на узкой стороне затрубья благодаря небольшой площади потока (эффективный размер щели), поэтому две кривые давления трения пересекаются, поскольку величины давления трения -- замещаемые и замещающие -- растут с разной скоростью. Для поддержания устойчивой границы раздела между растворами скорость необходимо удерживать ниже критического значения (V_с), представленного точкой пересечения двух кривых. А скорость замещающего раствора должна быть ниже скорости замещаемого.

Рис 20. Как дифференциальная скорость влияет на вытеснение в ламинарном потоке.

Дифференциал скорости в затрубье можно свести к минимуму уменьшением предела текучести бурового раствора при его оптимизации, максимальным увеличением эксцентричности, выполнением условий иерархии плотности и давления трения с использованием вязких утяжеленных буферных жидкостей, проводя вытеснение на низких мощностях закачки и двигая трубу. При слишком высоких скоростях вытеснения замещающие растворы имеют тенденцию к более быстрому протеканию на широкой стороне затрубья, независимо от гравитационных эффектов, которые стремятся к уплощению границы раздела. Таким образом, критерии дифференциальной скорости устанавливают максимальные скорости потока в затрубье, вступая в противоречие с философией «качай как можно быстрее».

В отличие от вытеснений в турбулентном потоке, где поток в затрубье удерживается выше значения критической скорости, вытеснения эффективным ламинарным потоком (ELF) должны удерживаться между максимальными и минимальными скоростями. В турбулентном потоке объем предварительной промывки определяется из 10-минутного времени контакта при критической скорости. При вытеснении в эффективном ламинарном потоке (ELF) объем буферной жидкости должен составлять по крайней мере 150 м³ объема затрубья, при минимуме 10 м³. Увеличение наклона ствола снижает эффективность вытеснения из-за уменьшения гравитационных эффектов, но это снижение можно компенсировать оптимизацией мощностей закачки и реологии растворов. Сложность ламинарных вытеснений лишний paз подчеркивает, как важно правильно спроектировать буферные жидкости при вытеснении бурового раствора из затрубного пространства.

Вниз по обсадной колонне: Вытеснение цементного раствора

Много усилий затрачивается на правильный подбор буферных жидкостей, режимов потока и техники вытеснения для удаления бурового раствора из затрубья и ввода цементного. Это обычно означает закачку растворных стадий с увеличивающимися плотностями. Однако, когда поток движется по трубе вниз, положительная плотностная иерархия противодействует эффективному вытеснению. Когда границы раздела между растворами неустойчивы, или если замещающие растворы прорываются -- проваливаются -- через находящиеся перед ними растворы, возникает их перемешивание и загрязнение -- проблемы, которые можно преодолеть с помощью цементировочных пробок для механического разделения растворов между собой. Иногда спускают только одну нижнюю пробку, но, как правило, ими вообще не пользуются.

После изучения случаев неудачного первичного цементирования, возможной причиной которых было перемешивание растворов внутри обсадной колонны, П. Валко провел глубинное исследование воздействия фрикционных и гравитационных сил на растворы, протекающие по трубе вниз Была определена механика вытеснения тяжелыми растворами более легких при движении вниз по обсадной колонне в отсутствие цементировочных пробок и разработана методика расчета эффективности вытеснения и форм границ раздела. Этот проект был основан на ранее выполненной работе, связанной с движением потока вверх по затрубью и полностью заполненной раствором колонне (рис.21 ).

Рис. 21. Профили скорости при вытеснении в трубе.

Общее направление потока было определено как движение вниз, но при допущении локально положительного (внизу) или локально отрицательного (вверху). Стрелки представляют скорость относительно радиальной позиции на осевом положении. Для расчета формы границы раздела вычисления выполнены по всей длине трубы. С помощью программы «Математика» (версия 2.2.3, Уолфрам Рисерч) получен порядок расчета эффективности вытеснения относительно времени и положение границы раздела в разное время вытеснения с использованием плотности растворов, предела текучести, пластической вязкости, диаметра и длины труб и мощности закачки.

Программа, с помощью которой выполняются эти расчеты, использует плотности растворов, реологии, гравитационное воздействие при допущении вертикального ламинарного потока и полного отсутствия перемешивания.¹⁴ Эта программа не строит моделей -- она дает лишь количественную оценку и поэтому не может определить, когда не надо устанавливать нижнюю цементировочную пробку.

Последующие работы, выполненные с помощью этой программы, показали, что может быть три формы вытеснения внутри трубы (рис.22).

Рис. 22. Эффективность вытеснения (вверху) и формы границы раздела между растворами, когда передний край достигает конца трубы (внизу).

В зависимости от свойств раствора, диаметра трубы (проволочная рамка) и скорости потока граница раздела между растворными стадиями может быть устойчивой и приближаться к форме параболы (слева) Здесь может быть область, где более легкий нижнин раствор статичен, а более тяжелый верхний течет вниз через середину трубы по внутренней параболе (в середине). Или же может быть область, где более легкий раствор течет вверх против первоначального направления потока вниз (справа).

Границы раздела между растворами могут образовывать пологие параболы с умеренной эффективностью вытеснения или же может образоваться внешний цилиндр первого раствора, который не движется, поэтому эффективность в этом случае ниже. Есть возможность наличия и такого района, где первый раствор имеет тенденцию к продвижению в верхнем направлении -- в противоположность к первичному потоку, поэтому эффективность вытеснения здесь весьма низкая. В случае с цементированием растворы в обсадной колонне вообще не могут двигаться в верхнем направлении из-за «головы» цемента, но эта сила может выражаться в высокой степени перемешивания на границах раздела. Как и следовало ожидать, вытеснение никогда не бывает полностью эффективным, что указывает на необходимость механического разделения, т.е. использования нижних цементных пробок.

Неполное замещение раствора в обсадной колонне может означать неудачное цементирование. Тенденция потока к продвижению в верхнем направлении на границах раздела может вызвать загрязнение переднего края буферного или цементного раствора или полное перемешивание бурового раствора, буферного и цементного, что выразится в неэффективном удалении бурового раствора. Развитие чрезмерной вязкости и, соответственно, высокие значения давлений закачки могут также оказаться результатом несовместимости буферных и цементных растворов с буровым. Перемешивание растворов может иметь катастрофические последствия, включая преждевременное схватывание, если их несовместимость достаточно серьезна. Кроме того, есть возможность того, что замещающие растворы будут проваливаться сквозь ранее закаченные. Это всегда отчетливо видно на диаграммах давлений в форме преждевременного подъема давления и на поверхности, когда более тяжелые растворы прорываются сквозь более легкие и «огибают угол» -- U-образную трубку -- из обсадной колонны в затрубье раньше расчетного времени.

Загрязнение цемента буровым раствором или буферной жидкостью меняет его реологию или сокращает время схватывания, что видно из диаграмм оценки цементажа в форме увеличения давления вязкого трения во время вытеснения или в виде очевидного отсутствия отвердевшего цемента.

В некоторых случаях перемешивание может иметь место только на краю «головы» цемента и выражаться в достижении глубины ниже расчетных или в низкой прочности цементного камня в верхней части ствола. Кроме того есть возможность проваливания «хвоста» цемента через его «голову»; в этом случае цементограммы могут показывать хорошее сцепление по большей части интервала, но плохое у подошвы, где должен быть хороший, прочный хвост цемента. Может быть также чередование участков с плохим и хорошим качеством цементного камня. В некоторых случаях, даже спустя несколько дней не обнаруживается никаких следов цемента из-за полного перемешивания растворов и замедления времени схватывания цемента ввиду влияния буферной жидкости.

Двумя традиционными проблемами являются неудача с получением герметичности у подошвы и отсутствие цементного камня в разделительных патрубках во время выбуривания. Первая проблема может быть скорее связана с характеристиками пласта, в котором установлена обсадная колонна, чем с качеством цементажа, но бывают случаи, когда цемент испытывают на герметичность после того, как цементный раствор прорвался сквозь буферную жидкость.

Эффективность вытеснения также сказывается на качестве цемента в разделительных патрубках Когда при отсутствии нижней цементировочной пробки цементный раствор прорывается через буферную жидкость или через буровой раствор, верхняя цементировочная пробка может затолкать прорванную буферную жидкость или буровой раствор в разделительный патрубок. Поскольку цементировочные пробки останавливаются у муфты обсадной колонны с обратным клапаном, цемент низкого качества или смесь растворов могут обнаружиться между этой муфтой и башмаком с обратным клапаном. Даже, когда нижние цементировочные пробки установлены, цемент может прорываться через другие растворы в разделительный патрубок. Кроме того, выпускные отверстия муфты с обратным клапаном пропускают тонкие струйки раствора через соединения обсадной колонны или хвостовика под муфтой, усугубляя и без того сложную проблему.

Анализы чувствительности растворов, проведенные с помощью этого нового программного обеспечения, показывают, что нельзя получить эффективного вытеснения в обсадной колонне с помощью модифицирования растворов, не оказывая при этом отрицательного воздействия на вытеснение из затрубья. Свойствами, которые могут оказывать влияние на форму границы раздела растворов и на эффективность вытеснения, являются средняя скорость, предел текучести, пластическая вязкость и диаметр труб. Эффективность вытеснения улучшается по мере увеличения разницы в скоростях потока и пределе текучести между верхними и нижними растворами; даже при схожих плотностях вытеснение составляет лишь 70% после закачки объема раствора, равного объему трубы. Различия в пластической вязкости оказывают незначительное влияние на вытеснение в исследованном диапазоне геометрии и скоростей сдвига. По мере увеличения диаметра труб эффективность вытеснения снижается, а при трубах еще большего диаметра обратный поток более легких растворов может вызвать условия нестабильности.

Хотя при отсутствии цементировочных пробок часто и получают приемлемые результаты, тем не менее и теория и промысловые данные указывают на то, что механическое разделение у каждой границы раздела растворов является единственным способом прохождения нужных растворов из обсадной колонны в затрубье. В этой работе предлагается, чтобы нижние пробки использовались всегда, когда это возможно, и что многие нежелательные результаты можно объяснить явлением «проваливания» более тяжелых растворов или их смешиванием с другими, находящимися в обсадной колонне впереди них. Настоятельно рекомендуется установка нижних цементировочных пробок, а в особо критических случаях их следует устанавливать на каждой границе раздела (см. «Установка дополнительных разделительных пробок»).

Перемешивание цементного раствора и буферной жидкости

В Мексиканском заливе компания Анадарко Петролеум Корпорейшн установила комбинированную обсадную колонну 9-5/8 х 9-7/8 дюймов до глубины 3863 м. Между буровым раствором и буферной жидкостью установили разделительную пробку. По всем признакам труба была зацементирована нормально, а сама работа проведена успешно. На поверхности был получен полный выход циркуляции и взяты образцы для анализа качества Однако, два дня спустя при опрессовке обсадной колонны на 34,5 МПа давление упало до нуля. После того, как колонну проверили на целостность и не нашли каких-либо повреждений, рассверлили башмак с обратным клапаном, но цемента не обнаружили[источник 11]. После первичного цементирования, во время продавки цемента скважину промыли в пространстве за промежуточной обсадной колонной. Замеры, проведенные с помощью приборов СВТ (Прибор оценки качества сцепления), СЕТ (Прибор оценки качества цементирования) и USI (Ультразвуковой скважинный телевизор), показали отсутствие прочного цемента.

В качестве причин были названы обычные проблемы схватывания цемента и его чрезмерного замедления цементными добавками Однако, анализ смесей цементного раствора и буферной жидкости показал, что удлинение времени схватывания могло быть вызвано умеренным количеством буферной жидкости. Всего было использовано 60,6 м³ цементного раствора и 12,7 м³ буферной жидкости. Если эти два раствора перемешались полностью, то отношение буферной жидкости к цементу составило бы около 15%.Цемент, загрязненный 20% буферной жидкости, приобрел предел сжатия всего 172 кПа за 48 часов, что сравнимо с фактическим поведением, наблюдаемым на скважине. Смеси цементного и бурового растворов оказались еще более замедленными.

В распоряжении исследователей не было тогда соответствующего программного обеспечения для оценки процессов замещения в обсадной колонне, однако подозрение пало на перемешивание растворов из-за не качественного реологического замещения и замедление схватывания цемента буфер ной жидкостью. Несколько позднее, расчеты вытеснении, выполненные с использованием этих скважинных условий, показали, что граница раздела между буферной жидкостью и цементным раствором была неустойчивой, а эффективность вытеснения -- значительно ниже 50% (рис 23).

Здесь при первичном цементаже промежуточной обсадной колонны между буровым раствором и буферной жидкостью была установлена нижняя пробка. Поскольку между буферной жидкостью и цементным раствором пробки не было, цементный раствор при протекании вниз по обсадной колонне мог смешаться с буферным.

Обсадная колонна 9-5/8 дюйма

Рис. 23. Случай в Мексиканском заливе.

Когда цемент достиг башмака колонны, эффективность вытеснения здесь составила менее 50%. Форма границы раздела подчеркивает серьезность проблемы. Здесь имеется область, где вообще нет потока буферной жидкости по внутреннему диаметру трубы при протекании цементного раствора через центр вниз. На данном графике принимается отсутствие перемешивания на границе раздела, но в реальности существует высокая степень вероятности перемешивания двух растворов на границе раздела.

Установка лишь одной нижней пробки между буровым раствором и буферной жидкостью позволила цементу провалиться в буферную жидкость и перемешаться с ней.

Прорыв хвостового цементного раствора через головной

В Баликпапане, Индонезия, компания Юнокал цементировала длинный 7-дюймовый хвостовик двумя растворами -- головным 1,5 г/см³ и хвостовым 1,9 г/см³. Кровля хвостовика была на уровне 683 м, а подошва -- на 3000 м С хвостовиками вообще дополнительной трудностью является сброс нижних пробок, а в данном случае проблема еще более усложнилась из-за необходимости поддержания низкой вязкости во избежание гидроразрыва скважины высоким давлением вязкого трения. Во время вытеснения из- за высокого давления операцию пришлось преждевременно прекратить, в результате в хвостовике остался цемент. Оценка операции вытеснения при цементировании этого хвостовика показала, что головной раствор провалился сквозь буферную жидкость, а хвостовой раствор -- через головной.