Обґрунтування параметрів технології і технічних засобів пі- дготовки стовбура свердловини до цементування обсадної колони

Abstract

На підставі аналізу та узагальнення лабораторних та промислових досліджень доведено, що кавернозність є головним чинником зниження якості цементного каменю в затрубному просторі стовбура свердловини. Визначено напрямки вдосконалення процесу цементування свердловин, серед яких найбільш ефективними є видалення або переведення в інертний стан глинисто-шламових кавернозних відкладень. Розглянуто вплив глинисто-шламових відкладень на технологічні властивості цементного розчину та показники міцності цементного каменю. Виявлено характер дії кожного з чинників, які визначають спрямованість і хід процесу формування кавернозних відкладень. Встановлено, що інтегральною характеристикою ступеню заповнення каверн є величина кута укосу шламових відкладень. Запропоновано принципово нові конструкції пристроїв підготовки стовбура свердловини до цементування обсадної колони, зокрема з лопатевим робочим органом. За результатами стендових і теоретичних досліджень обґрунтовано необхідність застосування гвинтової поверхні для утворення контуру лопаті і визначено її основні раціональні геометричні параметри. Встановлено дійсні форми руху потоку рідини крізь лопатеву систему та його взаємодії із глинисто-шламовими кавернозними відкладеннями. Проведені виробничі випробування підтвердили достовірність встановлених теоретичних і стендових характеристик пристрою для підготовки стовбура свердловини до цементування.

На основании анализа и обобщения лабораторных и промышленных исследований показано, что наиболее распространенным видом осложнений, при бурении скважин в породах осадочного комплекса, является образование каверн – объектов накопления шламового материала и формирования глинисто-шламовых отложений. Показано, что в случае явно выраженной кавернозности, в процессе закачивания цементного раствора в затрубное пространство, наблюдается его активное смешивание с глинисто-шламовыми отложениями, которые находятся в кавернах, приводящее к резкому негативному изменению всех физико- механических свойств цементного камня. Вследствие наличия тесной связи между присутствием глинисто-шламовых отложений в кавернозных интервалах ствола скважины и снижением качества цементного камня, образовывающегося в результате твердения цементного раствора, исследовано влияние глинистой фазы на величину сроков его схватывания, показатели которых возрастают в 1,25 – 1,35 раза при одновременном увеличении продолжительности интервалов нарастания пластической прочности, в сравнении с базовыми значениями, полученными на основании исследования незагрязненного цементного раствора (теста); кроме того, для рассматриваемых условий показатели водоотдачи возрастают на 30 – 40%, а дополнительная химическая обработка раствора позволяет снизить абсолютные значения показателей водоудерживающей способности не белее чем на 18 – 20% при одновременном уменьшении скорости фильтрации на 25 – 30%. Установлено, что величина прочности при одноосном нагружении в случае обогащения цементного камня бентонит-иллитовой глинистой фракцией снижается на 10 – 50%, а каолиновой – от 30 до 60%. Установлено, что интегральной характеристикой степени заполнения каверн является величина угла откоса шламовых скоплений, которая находится в пределах от 30 до 60 градусов, достигая предельных 70 градусов и выступает в качестве производной физико-химических свойств глинистой фракции, гранулометрического состава продуктов разрушения, скорости восходящего потока промывочной жидкости, несущей шлам, а также мощности кавернозного интервала. Определены направления совершенствования процесса цементирования скважин, среди которых наиболее эффективными являются удаление или перевод в инертное состояние глинисто-шламовых кавернозных отложений, в связи с чем предложены принципиально новые конструкции устройств подготовки ствола скважины к цементированию обсадной колонны, в частности с лопастным рабочим органом. По результатам стендовых и теоретических исследований обоснована необходимость применения винтовой поверхности для образования контура лопасти и определены ее основные рациональные геометрические параметры. Установлены действительные формы движения потока жидкости сквозь лопастную систему и его взаимодействия со шламовыми отложениями. Аналитически и экспериментально доказано, что механическое воздействие вызванного потока на глинисто-шламовые отложения находится в квадратичной зависимости от частоты вращения устройства для подготовки ствола скважины, шага винтовой линии, положенной в основу образования лопастного элемента, а также его диаметрального размера и линейной от плотности жидкости и соотношения скоростей ее протекания. Проведенные производственные испытания подтвердили достоверность установленных теоретических и стендовых характеристик устройства для подготовки ствола скважины к цементированию обсадной колонны.

On the basis of analysis and generalization of laboratory and industrial research, it is proven that rugosity is the main factor of cement stone quality decline in the clearance of a borehole. We have defined the directions for improving the process of borehole cementation, among which the most effective is removal of clay-slime vuggy agglomerates or their transition into inert state. The influence of clay-slime agglomerates on technological properties of cement solution and indexes of cement stone durability is considered. The character of each factor impact determining orientation and the course of vuggy agglomerates formation process has been detected. It is established that the value of clay-slime agglomerates slope angle is an integral parameter of the dental work degree. The fundamentally new designs (with the bladed working member in particular) of devices for preparation of the borehole for casing column cementation are proposed. The results of stand and theoretical research allowed substantiating of the necessity to apply the tilted surface to form the blade contour and determining of its principal rational geometric parameters. The actual patterns of the fluid flow through the blade system and its interaction with clay-slime agglomerates have been determined. The conducted industrial tests verified the credibility of the defined theoretical and stand characteristics of the device for preparation of the borehole for cementation.