Введение

В Волго-Уральском регионе при бурении скважин в 2015–2017 годах массово возникали проблемы поглощения бурового раствора. Устранение этих поглощений стандартными методами занимало в среднем 30 дней, что составляло значительную часть непроизводительных затрат времени. В качестве решения была предложена технология с применением пеноцемента. Ее суть заключается в закачке в зону поглощения специальных вспененных материалов – буферной жидкости и цементного раствора, насыщенных газообразным азотом для контроля плотности. Этот комплекс решает две задачи: вспененная жидкость мгновенно снижает гидростатическое давление в стволе, временно останавливая поглощение, а также создает барьер для пеноцемента, позволяя ему загустеть в нужном интервале и надежно перекрыть зону поглощения. Процесс требует предварительного моделирования и управляется автоматизированным оборудованием. Данная технология доказала свою эффективность, сократив время устранения поглощений с 30 до 2 дней и позволив продолжить бурение в штатном режиме.

Проблемы традиционных методов ликвидации поглощений

Традиционные методы ликвидации поглощения на месторождениях в Волго-Уральском регионе зачастую неэффективны в силу геологических особенностей. Эффективность метода с использованием обычных цементных мостов крайне низка из-за ухода цементного раствора в зоны поглощения до начала затвердевания под воздействием силы тяжести (рис. 1). После установки обычного цементного моста в интервал поглощения наличие потока пластовой воды размывает цементный мост, оставляя поглощающий интервал не изолированным или частично перекрытым остатками цемента (рис. 2).

Как правило, после проведения подобных работ статический уровень промывочной жидкости в скважине не достигает устья, что косвенно указывает на тот факт, что поглощающий канал все еще открыт. Тем не менее, интенсивность поглощения может быть снижена за счет того, что поперечное сечение канала частично перекрыто остатками не размытого цементного камня. Но, тем не менее, требуется проведение дополнительных работ по восстановлению полной циркуляции в скважине. В интервалах высокоинтенсивных поглощений вязкоупругие составы (ВУС) после их закачки вымываются или поглощаются пластом, что не дает возможности перекрыть весь интервал поглощения. Кальматирующие добавки также не эффективны из-за ограничения по размеру перекрываемых каналов и трещин. Многокомпонентные гелеобразующие системы вымываются при катастрофических поглощениях в связи с наличием внутрипластового течения минерализованной воды. Также все перечисленные технологии обладают недостатком, так как набор прочности занимает относительно длительное время, за которое состав может быть либо размыт пластовой водой, либо поглощен пластом.

Технология установки пеноцементных мостов

Новой технологией, предназначенной для ликвидации зон поглощения катастрофической интенсивности в высокопроницаемых и трещиноватых породах, при значительном падении статического уровня жидкости в скважине ниже устья, в том числе на воде, является технология установки пеноцементных мостов. На текущий момент поглощения катастрофической интенсивности с полной потерей циркуляции ликвидируются комплексом мероприятий: установка кольматирующих ВУС (вязкоупругая система), кошмы, кордового волокна с закреплением стандартными цементными мостами, что приводит к существенному увеличению сроков строительства скважины за счет длительного непроизводительного времени (НПВ). Используя уникальные особенности пеноцемента, такие как низкая плотность, высокая вязкость, адгезия практически к любой поверхности, в том числе, и к горной породе, а также другие, технология пенного цементирования нашла свое применение в области решения проблем, связанных с поглощением бурового раствора при строительстве нефтяных и газовых скважин. Технология установки пеноцементных мостов включает использование вспененного водного буфера и/или вспененного бурового раствора для снижения гидростатического давления в скважине ниже давления начала поглощения и образования «подушки» перед пеноцементом для недопущения ухода пеноцементного раствора глубоко в интервал поглощения (рис. 3).

Пеноцемент, закачанный в поглощающий интервал, занимает все предоставленное ему пространство во всех направлениях в связи с сжимаемостью/расширением, полностью перекрывает каверны и трещины, а также частично проникает вглубь обширных кавернозно-карстовых зон. В дальнейшем после ОЗЦ (ожидание затвердевания цемента) пеноцементный мост разбуривается КНБК (рис. 4), при этом циркуляция бурового раствора составляет 100 % в случае, если присутствует только одна зона поглощения. При наличии более чем одной зоны с различным давлением поглощения в большинстве случаев требуется проведение дополнительных операций для изоляции каждой из зон в отдельности.

Оборудование для пенного цементирования

Оборудование для проведения работы по пенному цементированию состоит из стандартного оборудования, а также нескольких единиц специальной техники, узлов и агрегатов (рис. 5 и рис. 6):

• Цементировочный агрегат
• Азотная установка
• Насос подачи пенообразователя
• Пеногенератор
• Осреднительная емкость
• Цементовоз
• Емкость с водой затворения
• Станция контроля цементирования

Производительность азотной установки составляет 4500 st.cu.ft/min, что вполне достаточно, чтобы выполнять операции по пенному цементированию очень глубоких скважин, где требуются высокие концентрации азота в базовом растворе. Азотная установка испаряет жидкий азот в газообразное состояние при высоком давлении за счет расширения самого азота в 697 раз (рис. 7).

Производительность азотной установки составляет 270000 scf/hour, максимальное давление 15000 psi. Жидкий азот хранится в специальной криогенной емкости вместимостью 5,7 тонн жидкого азота или 5000 м³ газообразного азота. Система подачи пенообразователя и азота работает в автоматическом режиме для регулирования концентрации газообразного азота и поддержания расчетной плотности вспененной буферной жидкости и пеноцемента. Кроме того, работа в автоматическом режиме позволяет избежать скачкообразного перехода с одной концентрации газа на более высокую. Как правило, при выполнении работ, связанных с закачкой в скважину пеноцемента и водного буфера для ликвидации поглощения используется режим подачи азота с одной концентрацией, так как жидкости закачиваются строго в определенный интервал скважины, где гидростатическое давление постоянно и не меняется за время операции. Электронные системы контроля расхода азотной установки и насосов подачи пенообразователя в режиме реального времени считывают обороты карданных валов плунжерных насосов цементировочного агрегата и конвертируют их в показания производительности закачки базового цементного раствора (м³/мин или bbl/min) (рис. 8).

На рис. 8 также изображены LAN-кабели, передающие в станцию контроля цементирования (СКЦ) основные параметры во время работы от цементировочного агрегата (ЦА), азотной установки и инжектора подачи пенообразователя. Все данные выводятся на монитор компьютера в режиме реального времени. На схеме представлен шланг подачи пенообразователя непосредственно на насосы цементировочного агрегата в трубопровод низкого давления. Механизм подачи пенообразователя более детально представлен на рис. 9. Очень важно, чтобы пенообразователь тщательно смешался с цементным раствором до того, как поступит на пеногенератор. Это достигается тем, что в низконапорный трубопровод, расположенный под секциями насоса, герметично вставляется длинный перфорированный патрубок с отверстиями, через которые пенообразователь, равномерно смешиваясь с цементным раствором, поступает в секции насоса и далее через выпускной клапан в линию высокого давления (ЛВД) на пеногенератор, где происходит впрыскивание газообразного азота.

Азотная установка, исходя из расхода цементировочного агрегата (bbl/min) c заданной концентрацией (scf/bbl), начинает испарять жидкий азот и подавать его на пеногенератор с расходом: (bbl/min)*(scf/bbl) = scf/min. Но до того момента, как азотная установка начинает подавать в систему газообразный азот, аналогичным образом происходит подача пенообразователя с концентрацией (gal/bbl) в базовый цементный раствор с расходом: (bbl/min)*(gal/bbl) = gal/min. ВНИМАНИЕ: всегда, начинать закачку пенообразователя в базовый цементный раствор раньше подачи азота для предотвращения смешения чистого цементного раствора с азотом. Смесь цементного раствора и азота без пенообразователя приведет к разделению фаз (жидкой и газообразной) и крайней его нестабильности, нарушение сплошности может вызвать ГНВП (газо-водо-нефтепроявление) в скважине и привести к браку в работе.

Инжектор подачи пенообразователя (рис. 10, внешний вид) и (рис. 11, принципиальная схема) отвечает за автоматическую подачу пенообразователя и поддержание его заданной концентрации в базовом цементном растворе. Данный агрегат снабжен двумя мембранными пневмотическими насосами низкого давления (рис. 12). Максимальная производительность составляет до 76 л/мин (20gal/min). Контроль производительности осуществляется за счет расходомера турбинного типа. Инжектор подачи пенообразователя снабжен системой сбора данных, а также автоматическим контроллером.

При выполнении работы, связанной с установкой пеноцементного моста, необходимо удостовериться в работоспособности универсального превентора (рис.13), а также линий дросселирования и глушения, блока дросселирования. Во время проведения срезки (промывки) бурильных труб от остатков пеноцемента и пенного буфера на водной основе возможен выход газированных азотом жидкостей из затрубного пространства. Сброс излишков осуществляется в амбар или приемную емкость через блок дросселирования при закрытом универсальном превенторе.

Основной узел, где непосредственно происходит вспенивание базового цементного раствора, называется пеногенератор (рис. 14). Необходимо строго соблюдать основные правила подключения линий подачи цемента и азота. Принципиальная схема пеногенератора представлена на схеме ниже, основные элементы: два обратных клапана на азотной и цементной линиях, форсунка нужного размера, а также байпасная линия с краном КВД.

Технологический эффект и свойства материалов

Технологический эффект заключается в использовании композитных материалов – вспененных растворов с плотностью меньшей, чем у воды или близкой к ней. Перед пеноцементом (рис. 15) используется вспененный водный буфер (рис. 16) для снижения гидростатики в скважине и образования «подушки» перед пеноцементом для недопущения ухода цементного раствора глубоко в интервал поглощения. Применение вспененного водного буфера позволяет уже во время работы добиться восстановления циркуляции скважинной жидкости. Вспененный водный буфер представляет из себя флюид, по консистенции напоминающий пену для бритья. Обладает высокими реологическими характеристиками наряду с ультранизкой плотностью 0,3–0.9 г/см³, что позволяет добиться восстановления циркуляции, так как создает барьер между стволом скважины и зоной поглощения, выдерживающий определенное дифференциальное давление (за счет высокой вязкости) и снижения гидростатического давления (за счет замещения скважинной жидкости большей плотности).

Применение вспененного водного буфера в значительной степени повышает шансы получения высокой эффективности после установки пеноцементного моста:

1. Позволяет снизить гидростатическое давление столба жидкости в скважине и получить циркуляцию из затрубного пространства еще до окончания самой работы.
2. Наличие циркуляции в скважине позволяет контролировать давление в затрубном пространстве и принять решение о дополнительной закачке жидкости продавки в затрубное пространство для задавки пеноцемента в интервал поглощения.
3. Снижение гидростатического давления на поглощающий пласт позволяет приступить к закачке пеноцементного раствора без опасения «ухода» цементного раствора за счет выравнивания гидростатического давления в скважине и давления начала поглощения слабого горизонта.
4. Вспененный водный буфер полностью перекрывает поглощающий интервал, создавая вязкую и одновременно легкую «подушку», после которой закачивается пеноцемент. Данные, полученные в лаборатории, показывают, что пластическая вязкость вспененной воды до плотности 0,3 г/см³ в 27 раз больше, чем вязкость исходной жидкости, из которой приготовлен вспененный буферный раствор.
5. Вспененный водный буфер также играет роль специальной буферной жидкости, снижающей образование обширных зон смешения пеноцемента и бурового раствора.

Для достижения максимальной эффективности готовый пеноцементный раствор для установки моста против поглощения должен также иметь минимальную плотность, близкую к плотности воды и даже меньше. Согласно общепринятым данным максимальное значение качества вспенивания должно составлять не более Q=48 % для первичного цементирования обсадных колонн, в противном случае происходит резкое увеличение открытой пористости и как следствие – проницаемости. Но в случае применения пеноцемента для ликвидации интервалов катастрофических поглощений, к проницаемости пеноцемента не выставляются жесткие критерии, так как основная задача заключается в изоляции зоны поглощения. Учитывая эти данные, максимальная базовая плотность цементного раствора может быть 1,95 г/см³, при этом коэффициент расширения равен K=1,95. В результате плотность пеноцемента составит 1,0 г/см³. Плотность базового цементного раствора является важным параметром, влияющим на конечную прочность пеноцементного раствора. Результаты лабораторного тестирования образцов пеноцементного раствора плотностью 1,0 г/см³, приготовленного из базового цементного раствора плотностью 1,95 г/см³, показывают, что после 24 часов ОЗЦ прочность составляет – 230 psi; после 48 часов ОЗЦ – 392 psi. Кроме того, высокие показатели качества вспенивания обеспечивают достижение максимальных реологических параметров, что является очень важным для максимально полного и равномерного заполнения поглощающего интервала пеноцементом. Ультранизкая плотность пеноцементного раствора, а также высокая вязкость минимизируют влияние силы тяжести, и осаждение под влиянием гравитации практически отсутствует. Растворенный азот в цементе и пенообразователь повышают адгезию к горной породе, предотвращают усадку за счет заключенной внутри энергии газа. Пеноцемент в отличие от обычного цементного раствора полностью перекрывает поглощающий интервал, так как его вязкость в 3–4 раза больше, равномерно заполняет пустоты и полости в приствольной зоне скважины, эффективно вытесняет буровой гелированный раствор из застойных зон.

Результаты применения технологии в Волго-Уральском регионе

Для ликвидации поглощения в Волго-Уральском регионе технология пенного цементирования впервые была применена в феврале 2013 г. Всего за пять лет было выполнено порядка 61 работы по установке пеноцементных мостов с целью ликвидации поглощения бурового раствора при строительстве скважин. Целью некоторых работ являлось укрепление стенок скважины для предупреждения обвалообразования и стабилизации открытого ствола, обеспечения возможности дальнейшего бурения без осложнений. После проведения подобных работ состояние открытого ствола скважины становилось более стабильным, что позволило заказчику добурить скважину до проектного забоя без осложнений. Работы с применением пеноцементных мостов выполнялись на 15 различных месторождениях Волго-Уральского региона. Каждое месторождение характеризуется своей уникальной геологической особенностью и наличием от одной до нескольких зон поглощения. Интенсивность поглощения на разных месторождениях варьируется от 2 м³/час до 60 м³/час, также встречаются и более сложные случаи без выхода промывочной жидкости на поверхность с падением статического уровня в скважине до 500 м ниже устья и более. Для ликвидации поглощения на некоторых особо осложненных скважинах с наличием нескольких зон поглощения выполнялось более чем одна операция. Тем не менее, данная новая технология оказывалась более эффективной, чем традиционные методы с установкой обычных цементных мостов. Среднее значение эффективности новой технологии составляет 76,2 %, что значительно выше показателя по сравнению со стандартной технологией, который составляет от 30% до 40%.