Процесс цементирования скважин ПВ, оборудованных неметаллическими обсадными и эксплуатационными колоннами, является сложным и трудоемким.
Широкое применение нашли способы цементирования через заливочные трубки, по которым и подается цементный раствор. В зависимости от размещения заливочных трубок различают два варианта доставки тампонажных материалов в затрубное пространство скважины. При первом варианте цементирования заливочные трубки опускают в затрубное пространство цементируемой колонны, а при втором – внутрь обсадной или эксплуатационной колонны.
Вариант доставки тампонажных материалов при размещении заливочных трубок в затрубном пространстве колонны показан на рис. 11.
Рис. 11. Схемы цементирования скважин с применением заливочных трубок: а, б – путем спуска заливочных трубок в затрубное пространство обсадной колонны; в, г – путем спуска заливочных трубок в полость обсадной колонны:
1 – ствол скважины; 2 – обсадная (эксплуатационная) колонна; 3 – заливочные трубки; 4 – разобщающая манжета; 5 – пакер; 6 – обратный клапан; 7 – цементирующее устройство; 8 – диафрагма; 9 – центратор
Нижний конец заливочных трубок опускают выше башмака колонны или разобщающей манжеты на 0,5 – 2 м и по ним в затрубное пространство закачивают цементный, раствор в требуемом объеме. В качестве заливочных трубок могут применяться бурильные трубы ниппельного соединения, насосно-компрессорные трубы или полиэтиленовые шланги.
В связи с трудностью спуска в скважину полиэтиленовых шлангов предусматривается их крепление к обсадным или эксплуатационным трубам и одновременный спуск.
При цементировании обсадных колонн из полимерных материалов с целью предупреждения смятия предусматривается полное заполнение их внутренней полости глинистым раствором (рис. 11 а). Причем по мере заполнения затрубного пространства тампонажным раствором заливочные трубки приподнимают. Для предупреждения перетекания цементного раствора в полость обсадной колонны ее башмак оборудуется диафрагмой, изготовленной из чугуна, стекла и других материалов, либо предусматривается заливка полости обсадной колонны глинистым раствором с плотностью, близкой к плотности цементного раствора.
При цементировании колонн, оборудованных в нижней части фильтром, предусматривается постановка разобщающей манжеты, закрепленной на колонне выше фильтра (рис. 11, б). Она предотвращает поступление тампонажных растворов в прифильтровую зону скважины.
Манжета выполняется из эластичного материала, в основном из кислотостойкой резины и имеет форму усеченного конуса, широкая часть которого больше диаметра скважины на 20 – 50 мм. Для лучшей герметизации прифильтровой зоны скважины посадку манжеты обычно производят на уступ, образованный при переходе ствола скважины на уменьшенный диаметр.
К основным недостаткам цементирования при размещении заливочных трубок в затрубном пространстве можно отнести следующие:
1) затруднено использование при цементировании глубоких скважин в связи с трудностью спуска заливочных трубок;
2) необходимость увеличения диаметра скважин для размещения заливочного става в пространстве между стенкой скважины и обсадной колонной. Для цементирования обсадной колонны из полиэтиленовых труб ПВП 110X18 Т и применения в качестве заливочного става БТ диаметром 42 мм диаметр скважины должен быть не менее 190 – 214 мм. Это приводит к увеличению стоимости ее сооружения;
3) при использовании качестве заливочных трубок бурильных, насосно-компрессорных и других металлических труб увеличивается вероятность повреждения цементируемых труб и их соединений, что приводит к аварийным ситуациям и выходу скважины из строя;
4) невозможность оборудования цементируемой колонны центрирующими фонарями, скребками и другими приспособлениями вследствие того, что они являются препятствием для спуска заливочногостава;
5) не обеспечивается высокое качество цементирования в связи с неравномерным распределением цементного раствора за колонной и разбавлением его глинистым раствором.
Более совершенным способом подачи тампонажных растворов Является подача через заливочные трубки, опущенные в полость цементируемой колонны (рис. 11, в, г).
При цементировании неметаллических обсадных колонн через заливочные трубки, опущенные внутрь колонны, по схеме (рис. 11, в) нижний конец заливочных трубок снабжается обратным клапаном 6 и пакером 5, устанавливаемым в зоне башмака обсадной колонны на расстоянии не более 0,5 м от низа с целью предупреждения заполнения полости колонны цементным раствором. После установки пакера в обсадную колонну до устья скважины заливают глинистый раствор с плотностью не ниже 1200 кг/м3. Верх колонны оставляют открытым. После закачки цементного раствора и ОЗЦ, пакер срывают и вместе с заливочным ставом извлекают из скважины. Высота цементного стакана в обсадной колонне при такой схеме цементирования не превышает 0,5 м и не затрудняет дальнейшего углубления скважины.
Цементирование неметаллических обсадных (эксплуатационных) колонн, оборудованных в нижней части фильтром, осуществляют по схеме, показанной на рис. 11 г. Для подачи тампонажных растворов в затрубное пространство скважины используются специальные устройства, показанные на рис. 12 и 13.
Устройство, показанное на рис. 12, монтируется и опускается в скважину на обсадной колонне и содержит разобщающую манжету с клапаном, центратор с принудительным цементированием колонны и диафрагму, изготовленную из листовой стали толщиной 2 – 3 мм, чугуна и стекла толщиной 2 – 5 мм. Выше диафрагмы в колонне сделаны отверстия диаметром 15 – 25 мм в один или два ряда. Отверстия с наружной части трубы закрыты резиновыми клапанами, представляющими собой часть разобщающей манжеты.
Рис. 12. Устройство для цементирования неметаллических колонн с резиновым клапаном:
1 – корпус; 2 – разобщающая манжета; 3 – центратор; 4 – подвижная втулка; 5 –диафрагма;
6 – резиновый клапан; 7 – окна
Перед закачкой цементного раствора в полость колонны опускают заливочные трубки с таким расчетом, чтобы их нижний конец не доходил до диафрагмы на 0,5 – 1,5 м.
Внутренняя полость обсадной колонны заполняется ПЖ, а верх колонны – герметизируется. При закачке цементного раствора под действием давления диафрагма 5 толкает втулку 4, связанную с пружинами центратора 3. При этом происходит центрирование обсадной колонны в зоне размещения разобщающей манжеты 2. Через окна 7 в корпусе устройства цементный раствор заполняет затрубное пространство обсадной колонны выше разобщающей манжеты. После окончания подачи тампонажной смеси клапан 6 предотвращает попадание ее внутрь колонны. Движением заливочных труб вниз разбивают диафрагму и извлекают заливочный став из скважины.
При применении описанного устройства требуется обязательное выполнение работ, связанных с герметизацией колонны ОТ.
Более совершенным устройством для цементирования обсадных неметаллических колонн является устройство, показанное на рис. 13. Устройство содержит полый корпус 1, который вместе с втулкой 6, запрессованной в обсадной колонне 7, образует поршневую пару. Корпус удерживается на втулке при помощи плашек 10. Монтаж устройства производится на поверхности, после чего оно опускается в скважину вместе с обсадной (эксплуатационной) колонной.
Рис. 13. Устройство для цементирования неметаллических колонн и гидроизоляции с поршневой парой:
1 – полый корпус; 2 – муфта; 3 – шаровой клапан; 4, 5 – окна для подачи цементного раствора; 6 – втулка;
7 – обсадная колонна; 8, 9 – поршни; 10 – плашки; 11– резиновое кольцо; 12 – кольцевая проточка;
13 – резиновый клапан; 14 – пружина
Подача цементного раствора производится по трубам, которые опускаются во внутреннюю полость обсадной колонны и соединяются с устройством при помощи переходника. Цементный раствор поступает в затрубное пространство выше разобщающей манжеты или выше верхней границы гравийного слоя (при отсутствии манжеты) через окна 4 и 5, сделанные в корпусе, втулке и обсадной колонне.
После окончания подачи цементного раствора заливочный став вместе с корпусом извлекают из обсадной колонны. При этом плашки 10 заходят в проточку 12, выполненную на корпусе, и не препятствуют подъему из скважины корпуса тампонажного узла через колонну полиэтиленовых труб.
Порядок цементирования с помощью предлагаемого устройства включает следующие этапы:
1) спуск БТ и соединение с устройством;
2) промывку затрубного пространства обсадной колонны облегченным глинистым раствором;
3) подачу тампонажного раствора в затрубное пространство скважины через заливочные трубки;
4) промывку внутренней полости обсадной колонны;
5) ОЗЦ и контроль качества цементации;
6) извлечение цементировочного узла и проведение работ по освоению скважины.
Предложенное устройство позволяет полностью исключить попадание цементного раствора в прифильтровую зону скважины и осуществить цементирование затрубного пространства обсадных колонн из неметаллических материалов (полиэтилен, полипропилен, стеклопластик) при небольших затратах времени и расходе тампонажных материалов.
Цементирование неметаллических обсадных колонн можно производить по схеме с одной или двумя разделительными пробками. Для этого с целью предохранения обсадной колонны от разрушения при движении пробок применяют дополнительную защитную металлическую колонну, опущенную внутрь цементируемой колонны (рис. 14). Верх обеих колонн герметизируют, а пространство между ними заполняют глинистым раствором. Закачка цементного раствора производится только через внутреннюю защитную колонну. Тампонажный раствор с помощью продавочной жидкости вытесняется за неметаллическую колонну. После ОЗЦ цементный стакан и разделительные пробки разбуривают, а защитную металлическую колонну извлекают из скважины. В дальнейшем осуществляют вскрытие продуктивного горизонта и оборудование скважины фильтровой колонной.
Рис. 14. Схема цементирования неметаллических колонн с применением разделительных пробок:
1 – ствол скважины; 2 – обсадная неметаллическая колонна; 3 – защитная металлическая колонна;
4 – центратор; 5 – цементировочная головка; 6 – разделительные пробки; 7 – продавочная жидкость;
8 – цементный раствор; 9 – глинистый раствор
Выбор зоны цементирования обсадных и эксплуатационных колонн определяется с учетом материала труб, глубины и конструкции скважин, их назначения, устойчивости пород приствольной зоны.
В практике сооружения геотехнологических скважин применяется полная и частичная цементация. При полном цементировании пространство за эксплуатационной (обсадной) колонной заполняется цементным (тампонажным) раствором от фильтра или башмака обсадной колонны до устья скважины.
Полная цементация затрубного пространства применяется, когда геологический разрез месторождения сложен неустойчивыми и перемежающимися породами при сооружении нагнетательных скважин.
В откачных и наблюдательных скважинах ПВ обязательным является цементирование интервалов от фильтра до пьезометрического уровня подземных вод, а также зон ниже фильтра в случае вскрытия данной скважиной нижележащих водоносных горизонтов.
В остальных случаях при сооружении откачных и наблюдательных скважин ПВ высота цементной оболочки при частичном цементировании определяется мощностью неустойчивых пластов или интервалом скважины, при котором обеспечивается надежная гидроизоляция продуктивного горизонта.