Цементирование скважин

Цементирование скважины – это процесс введения цемента в затрубное пространство между стволом скважины и обсадной колонной или в затрубное пространство между двумя последовательными обсадными колоннами . ^[1] Персонал, выполняющий эту работу, называется «цементаторами».

Принцип цементирования

Для поддержки вертикальных и радиальных нагрузок, приложенных к корпусу.
Изолировать пористые пласты от пластов продуктивной зоны
Исключение нежелательных подземных флюидов из продуктивного интервала
Защита корпуса от коррозии
Устойчивость к химическому разрушению цемента
Ограничить аномальное поровое давление
Для увеличения возможности поражения цели

подается Цемент в скважину с помощью цементировочной головки . Это помогает перекачивать цемент между спуском верхней и нижней пробок .

Важнейшей функцией цементирования является достижение зональной изоляции. Еще одной целью цементирования является достижение хорошей связи цемента с трубой. Слишком низкое эффективное ограничивающее давление может привести к тому, что цемент станет пластичным .

Что касается цемента, следует отметить отсутствие корреляции между прочностью на сдвиг и сжатием . Еще один факт, на который следует обратить внимание, заключается в том, что прочность цемента колеблется от 1000 до 1800 фунтов на квадратный дюйм , а при пластовом давлении > 1000 фунтов на квадратный дюйм; это означает, что цементное соединение трубы выйдет из строя первым. Это приведет к образованию микрозазоров вдоль трубы. ^[2]

Классы цемента

A. 0–6000 футов используется, когда специальные свойства не требуются.

B. 0–6000 футов используется, когда условия требуют умеренной или высокой к сульфатам. стойкости

C. 0–6000 футов используется, когда условия требуют высокой ранней прочности.

D. 6000–10 000 футов при умеренно высоких температурах и давлениях.

E. 10 000–14 000 футов при использовании в условиях высоких температур и давлений.

F. 10 000–16 000 футов при использовании в условиях чрезвычайно высоких температур и давлений.

G. 0–8000 футов можно использовать с ускорителями и замедлителями для охвата широкого диапазона глубин и температур скважин.

Высота 0–8000 футов может использоваться с ускорителями и замедлителями для охвата широкого диапазона глубин и температур скважин.

J. 12000–16000 футов можно использовать в условиях чрезвычайно высоких температур и давлений или смешивать с ускорителями и замедлителями для покрытия диапазона глубины и температуры скважин.

Марки цемента API A, B и C соответствуют ASTM типа I, II и III.

Параметры цемента

Распределение частиц по размерам.
Распределение силикатных и алюминатных фаз .
Реакционная способность гидратирующих фаз.
гипс / полугидраты Соотношение и общее содержание сульфатов.
Содержание свободной щелочи .
Химическая природа, количество и удельная поверхность имеют исходные продукты гидратации.

Учитывая множество параметров цемента , лучшим, наиболее тщательным и практичным методом разработки цементной смеси являются лабораторные испытания.

Испытания следует проводить на образце цемента, который будет использоваться на рабочей площадке .

Присадки и механизм действия

Существует 8 основных категорий добавок .

Ускорители сокращают время схватывания и увеличивают скорость нарастания прочности на сжатие.
Замедлители продлевают время схватывания.
Наполнители снижают плотность ^[3]
Утяжелители увеличивают плотность. ^[4]
Диспергаторы снижают вязкость.
Средства контроля потерь жидкости .
Агенты для борьбы с потерями циркуляции .
Специализированные агенты . ^[5]

Ускорители

Может быть добавлен для сокращения времени схватывания или ускорения процесса затвердевания.

Хлорид кальция при правильных условиях имеет тенденцию улучшать прочность на сжатие и значительно сокращает время загустения и схватывания. Используется в концентрации до 4,0%. Механизм этого процесса дискутируется, но выдвигаются четыре основные теории .

Это влияет на фазу гидратации по одной из следующих теорий:
1. Хлор ( Cl ⁻
  ) ионы усиливают образование эттингита ( кристаллического ) Tenoutasse 1978.
2. Увеличивает гидратацию системы алюминатная фаза/гипс. Траеттенбер и Граттен Беллоу, 1975.
3. Ускоряет гидратацию C3S. Штейн 1961 г.
Изменяет структуру CSH.
1. Контролирует диффузию воды . и ионных частиц
2. Гель CSH имеет большую площадь и реагирует быстрее.
Диффузия хлорид-ионов;
1. кл. ⁻ CSH ионы быстрее диффундируют в гель , и этот процесс приводит к более быстрому осаждению портландита .
2. Меньший размер Cl ⁻ Ионы вызывают большую тенденцию диффундировать в мембрану CSH . В конце концов мембрана CSH разрывается, и процесс гидратации ускоряется.
3. Изменяет состав водной фазы.

Хлорид кальция также выделяет большое количество тепла во время гидратации. Это тепло может ускорить процесс гидратации.

Это тепло заставляет корпус расширяться и сжиматься по мере его рассеивания . Различные скорости расширения и сжатия могут привести к отрыву обсадной колонны от цемента и образованию микрозазоров. Он также способен влиять на реологию цемента , развитие прочности на сжатие, вызывать усадку на 10–15%, со временем увеличивает проницаемость и снижает сульфатостойкость.

Замедлители

Они работают по одной из 4 основных теорий;

Теория адсорбции : замедлитель адсорбируется и подавляет содержание воды.
Теория осаждения : реагирует с водной фазой, образуя непроницаемый и нерастворимый слой вокруг зерен цемента.
Теория нуклеации : замедлитель отравляет продукт гидратации и предотвращает будущий рост.
Теория комплексообразования : ионы Ca+ хелатируются замедлителем. Ядро не может быть правильно сформировано.

Лигносульфонаты : полимеры , полученные из древесной массы . Эффективен во всех портландцементах и добавляется в концентрации от 0,1% до 1,5% BWOC. CSH Он впитывается в гель и вызывает изменение морфологии на более непроницаемую структуру.

Гидроксикарбоновые кислоты есть гидроксикарбоксильные группы – в их молекулярной структуре . При температуре ниже 93 °C они могут вызвать чрезмерное замедление. Они работоспособны до температуры 150°C. В одной кислоте используется лимонная кислота с эффективной концентрацией от 0,1% до 0,3% BWOC.

Сахаридные соединения : сахара являются отличными замедлителями схватывания портландцемента. Такие соединения обычно не используются из-за того, что степень замедления очень чувствительна к изменению концентрации. Это также зависит от восприимчивости соединения к щелочному гидролизу .

целлюлозы Производные : полисахариды, полученные из древесины или растительного сырья, устойчивы к щелочным условиям цементного раствора .

Органофосфаты : Алкиленфосфоновые кислоты .

Неорганические соединения :

Кислоты и сопутствующие соли

Хлорид натрия , используемый в концентрации до 5,0% и при забойной температуре менее 160 градусов по Фаренгейту. Он улучшает прочность на сжатие и сокращает время загустевания и схватывания.

Оксиды цинка и свинца .

Расширители

Уменьшить плотность раствора – снижает гидростатическое давление при цементировании. Увеличивает выход раствора – уменьшает количество цемента, необходимое для производства заданного объема .

Водные разбавители – позволяют/облегчают добавление воды для расширения цементной смеси/раствора.

Заполнители низкой плотности – материалы с плотностью ниже портландцемента (3,15 г/см3).

Полые стеклянные микросферы – специально разработанные высокопрочные (одноклеточные) с низкой плотностью (средняя истинная плотность всего 0,3 г/см3 для версий средней прочности), непористые полые стеклянные сферы, средний размер частиц обычно менее 40 мкм, позволяют получать гидравлические цементные растворы в качестве всего 8 очков за галлон (960 кг/м^3)

Газообразные наполнители . азот или воздух Для приготовления пены можно использовать .

Глины – Алюмосиликаты водные . Наиболее распространенным является бентонит (85% минеральной глины смектит ). Может быть использован для получения цемента плотностью от 11,5 до 15,0 фунтов на галлон , с концентрацией до 20%. Используется с соотношением API 5,3% воды к 1,0% бентонита.

Бентонит – добавляется вместе с дополнительной водой, используется для контроля удельного веса, но дает плохой цемент.

Пуццолан – мелкоизмельченная пемза золы летучей . Пуццолан стоит очень мало, но не обеспечивает значительного снижения веса навозной жижи.

Кизельгур – также требует добавления дополнительной воды. Свойства аналогичны свойствам бентонита.

Кремнезем – α- кварц и конденсированный микрокремнезем . Альфа-кварц используется для предотвращения снижения прочности в термальных скважинах . Дым кремнезема (микродым) обладает высокой реакционной способностью и считается наиболее эффективным доступным пуццолановым материалом. Большая площадь поверхности увеличивает потребность в воде для получения перекачиваемой суспензии. Такая смесь может производить цементный раствор с содержанием всего 11,0 фунтов на галлон.

Нормальная концентрация = 15% BWOC, но может достигать 28% BWOC. Иногда может использоваться для предотвращения кольцевой миграции жидкости.

Вспученный перлит — используется для уменьшения веса, поскольку при его добавлении добавляется вода. Без бентонита перлит отделяется и всплывает в верхнюю часть суспензии. Может использоваться для достижения веса жидкого навоза всего 12,0 фунтов на галлон. Также добавляют бентонит в концентрации 2–4% для предотвращения сегрегации частиц и пульпы.

Гильсонит – используется для получения жидкого раствора с плотностью всего 12,0 фунтов на галлон. При высоких концентрациях смешивание представляет собой проблему.

Порошковый уголь . Может использоваться для получения суспензии с плотностью всего 11,9 фунтов на галлон, обычно добавляется 12,5–25 фунтов на мешок.

Дробленые материалы

Использует латексные добавки для достижения потери жидкости. Эмульсионные полимеры поставляются в виде суспензий полимерных частиц. Они содержат около 50% твердых веществ. Такие частицы могут физически закупоривать поры фильтрационной корки .

Водорастворимые полимеры

Они повышают вязкость водной фазы и уменьшают проницаемость фильтрационной корки.

Производные целлюлозы

Органические белки ( полипептиды ). Не используется при температуре выше 93 °C.

Неионогенные синтетические полимеры Могут снизить скорость потери жидкости с 500 мл/30 мин до 20 мл/30 мин.

Существуют также анионные синтетические полимеры и катионные полимеры .

связующие агенты

Добавление материалов, которые могут физически перекрыть трещины или слабые зоны. Например, гильсонитовые и целлофановые хлопья добавляются в количестве 0,125–0,500 фунта/мешок.

Тиксотропный цемент

Это цементные растворы, которые при попадании в пласт начинают гелеобразовать и в конечном итоге становятся самонесущими.

Ссылки

^ Экономидес, М. (1990). Цементирование скважин . (Э.Б. Нельсон, ред.) Шугар Лэнд, Техас: Образовательные услуги Schlumberger.
^ Лайонс, WC (Ред.). (1993). Справочник для инженеров нефтяной и газовой промышленности (Том 1). Хьюстон: Издательская компания Gulf.
^ «Войдите, чтобы получить доступ к премиум-функциям подписчика журнала Oil & Gas Journal» . Уэзерфорд . Проверено 23 ноября 2014 г. .
^ «Oilfield_Master_Product_List» (PDF) . ООО «Л.В. Ломас», май 2012 г. Проверено 23 ноября 2014 г.
^ Нельсон, Э.Б., Барет, Дж.Ф., и Мишо, М. (1993). Добавки и механизмы действия . Шугар Лэнд, Техас: Образовательные услуги Schlumberger.

Марка, К. (1990). Ремонтное цементирование . Шугар Лэнд, Техас: Образовательные услуги Schlumberger.
Нельсон, Э.Б. (1990). Цементирование скважин . (Э.Б. Нельсон, ред.) Шугар Лэнд, Техас, 77478: Образовательные услуги Шлюмберже.
Рэй, П. (1990). Проектирование цементных работ . Шугар Лэнд, Техас: Образовательные услуги Шулумберже.

Внешние ссылки

[1] Экономидес, М. (1990). Цементирование скважин . (Э.Б. Нельсон, ред.) Шугар Лэнд, Техас: Образовательные услуги Schlumberger.

[2] Лайонс, WC (Ред.). (1993). Справочник для инженеров нефтяной и газовой промышленности (Том 1). Хьюстон: Издательская компания Gulf.

[3] «Войдите, чтобы получить доступ к премиум-функциям подписчика журнала Oil & Gas Journal» . Уэзерфорд . Проверено 23 ноября 2014 г. .

[4] «Oilfield_Master_Product_List» (PDF) . ООО «Л.В. Ломас», май 2012 г. Проверено 23 ноября 2014 г.

[5] Нельсон, Э.Б., Барет, Дж.Ф., и Мишо, М. (1993). Добавки и механизмы действия . Шугар Лэнд, Техас: Образовательные услуги Schlumberger.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]