Первичное цементирование обсадных колонн — важный этап строительства скважины, а в случае с эксплуатационной колонной/хвостовиком — ключевой, от которого зависит жизненный цикл скважины, её продуктивность и, в конечном итоге, экономическая эффективность.

Цементная крепь в скважине — первичный барьер, обеспечивающий разобщение пластов друг от друга и от устья скважины.

Показатель успешного разобщения — герметичность МКП и отсутствие ЗКЦ. Чем выше качество крепления скважины, тем ниже вероятность образования негерметичности МКП и ЗКЦ непосредственно после ОЗЦ и в будущем, в течение жизненного цикла скважины. ГИС, оценивающие цементную крепь (ЦМ, АКЦ, СГДТ), косвенно оценивают качество крепления, прямых методов не существует.

На качество в общем его понимании (и герметичность МКП, и показания ГИС) влияет ряд факторов: степень замещения бурового раствора цементным; физико-механические параметры цементного раствора и цементной крепи после её затвердевания; механические нагрузки, оказываемые на цементную крепь в течение жизненного цикла скважины, в частности, такие критические нагрузки как опрессовки ОК, натяжение ОК, перфорация, ГРП.

В России распространена технология крепления скважин, подразумевающая использование колонных головок типа ОКК, натяжение и посадку на клинья обсадных колонн после ОЗЦ. Основные причины — доступность и дешевизна данного типа колонных головок, а также возможность перенатяжения обсадных колонн для компенсации их температурных сжатий/расширений без использования специальных механических компенсаторов. Колонные головки, позволяющие обойтись без натяжения (например, тип ОКО), используются в ограниченном объёме. При этом методики расчёта воздействия натяжения обсадной колонны на цементную крепь не существует, специальных требований к цементу не предъявляется. Игнорирование данного фактора приводит к неправильной оценке действий подрядчика по цементированию и ошибочным корректирующим мероприятиям.

В предлагаемой методике расчёта вводится понятие ЗСК — зона стабильного контакта цементной крепи с обсадной колонной — верхний интервал цементной крепи, в котором по результатам ГИС (АКЦ) не фиксируется повреждение контакта из-за натяжения колонны после ОЗЦ, но при этом подразумевается, что во время натяжения нагрузка на крепь в этом интервале была.

Всё, что ниже ЗСК — зона цементной крепи без влияния натяжения и без повреждений. Всё, что выше ЗСК — зона повреждения цемента, которая при фактическом наличии цемента не обеспечивает герметичность из-за повреждения во время натяжения. Глубина ЗСК — величина непостоянная и зависит от конкретного случая, который характеризуется балансом сил, оказываемых на контакт «цемент-обсадная колонна» в ЗСК в момент натяжения (рис. 1).

Силы, направленные вверх:

• натяжение колонны крюком;
• сила Архимеда — подъёмная сила части обсадной колонны, незацементированной или с повреждённой крепью;
• остаточное напряжение в ЗСК. В процессе гидратации во время ОЗЦ и образования контакта «цемент-обсадная колонна» колонна находится в натянутом состоянии.

Силы, направленные вниз:

• вес части обсадной колонны, незацементированной или с повреждённой крепью;
• сила адгезии цемента, равная адгезии цемента (в СИ — Паскаль), умноженной на площадь контакта ЗСК.

Суммарно (с некоторыми допущениями) на ЗСК действуют всего 5 сил: 3 вверх и 2 вниз, которые уравновешивают друг друга. Данный баланс сил можно описать следующей формулой:

W_ост+Wg+_ρVg=Mg+SA

где:

• W_ост​ — «остаточный вес», результат напряжения в верхней части ЗСК, возникшего в процессе ОЗЦ;
• W — вес на крюке при натяжении колонны для посадки на клинья;
• g — ускорение свободного падения;
• V — объём ОК (закрытый конец) выше ЗСК;
• M — масса колонны выше ЗСК;
• S — площадь контакта «цемент-обсадная колонна» в ЗСК;
• A — адгезия цемента.

Остаточный вес, согласно описываемой методике, определяется следующим образом:

W_остg=W₀g+ΔpV_колg

где:

• W₀​ — вес колонны на момент окончания спуска;
• V_кол​ — объём ОК (закрытый конец);
• Δp — разница средней плотности столба жидкости за ОК до и после цементирования.

Ключевая в рамках рассматриваемой методики сила — сила адгезии, равная произведению площади контакта ЗСК (S) на адгезию (A).

Адгезия цемента — ещё один термин, вводимый в рамках данной методики — прочностная характеристика, характеризующая его сопротивление нарушению контакта между ним и прилегающей поверхностью (в нашем случае внешней стенкой обсадной колонны). Предположительно (в рамках данной методики) адгезия является величиной, прямо пропорционально зависящей от прочности цемента на сжатие.

Площадь контакта зависит от диаметра обсадной колонны и от длины ЗСК.

S=_πDL_ЗСК

где:

• S — площадь контакта «цемент-обсадная колонна»;
• D — внешний диаметр ОК;
• L_ЗСК ​ — длина ЗСК.

Длина ЗСК — по сути глубина проникновения напряжения от натяжения в неповреждённой части крепи, её точный расчёт требует построения 3D модели напряжений, учитывающей множество параметров цементного камня. Все эти параметры и расчёты в упрощённом виде можно предоставить в виде коэффициента «инфильтрации» напряжения. Для перехода размерности длины в СИ данный коэффициент умножаем на 0,1 м — разрешающая способность АКЦ. Таким образом, длина ЗСК определяется как:

L_ЗСК=K_π×0,1

где:

• K_π — коэффициент «инфильтрации» напряжения, зависящий от механических параметров цемента.\

Адгезия цемента, в свою очередь, зависит от прочности цемента на сжатие и коэффициента адгезии:
A=K_aP

где:

• K_a — коэффициент адгезии;
• P — прочность цемента на сжатие.

Прочность цемента на сжатие определяется в лабораторных условиях (пресс или ультразвуковой анализатор прочности) при фактической статической температуре в интервале ЗСК. Также вводится поправочный коэффициент эксцентриситета, учитывающий фактическое положение колонны в стволе скважины и размеров кольцевого зазора.

P=K_эP_лаб

где:

• K_э​ — коэффициент эксцентриситета;
• P_лаб — прочность цемента на сжатие, определённая в лаборатории.

Коэффициент адгезии — параметр, зависящий от физико-механических свойств цемента (модуль Юнга, коэффициент Пуассона, прочность на сжатие, причём, вероятно, зависимость не прямая, и ряд других параметров). Также в этот коэффициент входят свойства покрытия обсадной трубы (чистый металл, ржавый металл, лак, битум и т.д.), но на данном этапе развития методики учёт различных поверхностей не вводится. В итоге присутствует 2 коэффициента: инфильтрации и адгезии. Оба характеризуют свойства цементной крепи, так что дальнейший очевидный шаг — объединение их в один коэффициент сопротивления натяжению — ключевой аспект предлагаемой методики. Данный коэффициент зависит только от свойств цемента.

K=K_аK_π

где:

• K — коэффициент сопротивления натяжению.

На основании указанного выше можно сделать вывод, что, если мы рассматриваем различные конкретные примеры натяжения и повреждения цемента (результатов АКЦ), но при этом с одинаковым цементом, коэффициент сопротивления натяжению должен совпадать.

С целью эмпирического подбора коэффициента сопротивления натяжению рассмотрим подборку из 23 скважин с 3 различных месторождений со схожими геологическими условиями, на которых при цементировании технических колонн диаметром 245 мм применялась одинаковая рецептура цементного раствора (рис. 2).

Как мы можем видеть на рис. 2, у расчётного коэффициента наблюдается хорошая сходимость значения: дисперсия 0,219 и коэффициент вариации 10,26%, что косвенно подтверждает правильность построенной в рамках данной методики физической и математической модели.

Аналогичный подбор коэффициента был осуществлён и для подборки из 45 эксплуатационных колонн с тех же месторождений, также зацементированных с применением одинаковой рецептуры цементного раствора (рис. 3).

Также наблюдается высокая стабильность значения расчётного коэффициента: дисперсия 0,125 и коэффициент вариации 10,72 %. Возникает вопрос, почему в случае с технической колонной средний коэффициент равен 4,58, а в случае с эксплуатационной колонной 3,33. Как описано ранее, коэффициент сопротивления натяжению зависит от физико-механических свойств цемента. А они на различных секциях (несмотря на схожие рецептуры) отличаются из-за разной температуры.

Рассмотрим две данные выборки с точки зрения связи между герметичностью МКП и длиной зоны герметичности — расстоянием между ЗСК и башмаком предыдущей колонны. Связь прослеживается на обеих секциях: чем больше зона герметичности, тем ниже вероятность негерметичности МКП (рис. 4).

Исходя из выведенных коэффициентов сопротивления натяжению на наших подборках скважин, мы можем сделать статистическое предположение, что проблема с негерметичностью кардинально уменьшится в случае снижения силы натяжения на ТК 245 мм до 5 тонн и ЭК 178 мм до 13 тонн. Это базовый вариант решения проблемы, который не до конца её исключает — повреждение крепи остаётся, но при этом отсутствуют дополнительные затраты.

Существует иной способ решения проблемы — подбор цементных систем с учётом требуемого коэффициента сопротивления натяжению. Нужно улучшить характеристики цементной крепи настолько, чтобы она на всём интервале оказывала достаточное сопротивление разрушению из-за требуемого натяжения после ОЗЦ, т.е. поднять интервал зоны стабильного контакта (ЗСК) до плановой высоты подъёма цемента. Соответственно, требуемый коэффициент сопротивления натяжению для конкретной конструкции скважины и натяжения можно рассчитать. В рамках проверки описываемой методики расчёта и поиска подходящих материалов была собрана ячейка для тестирования адгезии (рис. 5).

Абсолютные величины коэффициента сопротивления натяжению KKK, полученные в лаборатории, в 20 раз меньше коэффициентов, полученных эмпирически. Но при этом наблюдается практически 100 % сходимость лабораторных и эмпирических данных: кейс с ТК 245 мм отличается от кейса ЭК 178 мм на 35-40 % и в лаборатории, и эмпирически. Можно сделать вывод, что методика работает, однако при тестировании в лаборатории наблюдается эффект масштабирования, который можно нивелировать поправочным коэффициентом, зависящим от параметров конкретной лабораторной установки (в данном случае 20).

Далее были проведены тестирования с различными цементными системами. В качестве референса выбрали кейс ЭК 178 мм. Результаты тестирования представлены в таблице.

Таблица. Результаты тестирования адгезии

Обобщая вышеизложенное: натяжение колонн влияет на цементную крепь, повреждение цементной крепи в свою очередь отрицательно влияет на герметичность МКП, следовательно, для успешного строительства и эксплуатации скважин нужно либо снижать нагрузку на цементную крепь, либо учитывать эту нагрузку при подборе цементных систем.

Предложенная методика расчёта влияния натяжения имеет хорошую сходимость. Способность цементной крепи выдерживать нагрузку при натяжении колонны характеризуется коэффициентом сопротивления натяжению KKK, коэффициент характеризует при определённых геологических условиях комплекс свойств цементной системы, влияющих на сопротивление натяжению, данный коэффициент можно определить лабораторным путём, при этом результаты сходятся с эмпирическими законами.

В пуле технологий ООО «БурСервис» есть целый ряд композитных систем с различными характеристиками и спектром решаемых задач:

Пеноцемент, применяется для борьбы с поглощениями, проявлениями, плохой вытесняемостью бурового раствора. Упругие свойства цементной крепи (подвижный каркас из цемента, заполненный азотом под давлением) позволяют воспринимать различные нагрузки без повреждений.

Самовосстанавливающиеся эластичные цементы — преимущественно применяются в интервалах ГРП и в верхних интервалах МКП, за счёт упругих свойств включений резино-полимеров выдерживают дополнительную нагрузку, а также за счёт химического состава полимеров при контакте с углеводородами могут восстанавливать целостность, изолируя микротрещины 150-250 микрон, образующиеся вдоль обсадной колонны во время процесса ГРП.

Литература:

Даниленко О.Д., Джафаров К.И., Колесников В.Г., Кузнецов В.Ф., Малеванский В.Д., Поликарпова Т.П., Потапов А.Г., Пчелкин В.Н., Саркисов Г.М., Сароян А.Е., Чеблаков Е.А., Шинкевич Г.Г., Щербюк Н.Д., Якубовский Н.В. Инструкция по расчёту обсадных колонн для нефтяных и газовых скважин. — Москва, 1997. — 207 с.