способ оценки качества крепления скважин в интервалах многолетнемерзлых и низкотемпературных пород

Формула изобретения

1. Способ оценки качества крепления скважины в интервалах многолетнемерзлых и низкотемпературных пород, включающий измерение плотности и температуры закачиваемых в скважину растворов и продавочной жидкости, радиусов зацементированной обсадной колонны и открытого ствола скважины в исследуемых интервалах, температуры в скважине в процессе ожидания затвердевания цемента и определение качества крепления скважин, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности оценки качества крепления скважины за счет контроля тепловыделения при его гидратации в цементном кольце, измеряют температуру окружающих скважину пород, бурового раствора при бурении и промывке, температуру обсадной колонны перед спуском и при спуске в скважину, выходящих бурового и тампонажного растворов на устье скважины при цементировании обсадной колонны, по которым определяют в исследуемом интервале удельное тепловыделение в затрубном пространстве скважины тампонажного раствора на момент исследования во время ожидания затвердевания цемента, тепло, выделяемое цементным кольцом и перераспределенное в нем и между ним и окружающими скважину породами, продавочной жидкостью и обсадной колонной за время, прошедшее после окончания цементирования до момента исследования во времени ожидания затвердевания цемента при его гидратации, предельное суммарное количество тепла, которое выделяет 1 кг тампонажного раствора при заполнении им всего затрубного пространства на момент исследования во время ожидания затвердевания цемента при его гидратации в цементном кольце, выявляют интервал и радиус зоны поглощения бурового и тампонажного растворов в окружающих скважину породах, определяют критерий качества, радиусы поглощения бурового и тампонажного растворов в окружающих скважину породах, определяют критерий качества цементирования обсадной колонны из выражения

К_кц q_ц/q_п

где К_кц критерий качества цементирования обсадной колонны;

q_п предельное суммарное количество тепла, которое выделяет 1 кг тампонажного раствора при заполнении им всего затубного пространства на момент исследования во время ожидания затвердевания цемента при его гидратации в цементном кольце, ккал/кг;

g_ц суммарное тепловыделение в затрубном пространстве скважины 1 кг тампонажного раствора на момент исследования во время ожидания затвердевания цемента в исследуемом метровом интервале, определяемое из выражения



где Q_ц, Q_п, Q_ж, Q_к тепло, выделяемое, цементным кольцом и перераспределенное соответственно в нем и между ним и окружающими скважину породами, продавочной жидкостью и обсадной колонной за время, прошедшее после окончании цементирования до момента исследования во время ожидания затвердевания цемента при его гидратации, ккал;

_ц- плотность тампонажного раствора в затрубном пространстве скважины, кг/м³;

r_кав, r_к радиусы соответственно открытого ствола скважины и зацементированной обсадной колонны в исследуемых интервалах, м;

а оценку качества крепления скважины производят в пределах значения коэффициента качества цементирования обсадной колонны 0 0,7, при этом при значении коэффициента качества цементирования обсадной колонны 0 0,1 судят об отсутствии цемента в затрубном пространстве скважины, 0,1 0,4 о плохом качестве цементирования, 0,4 0,7 об удовлетворительном качестве, а о хорошем при превышении коэффициентом качества цементирования обсадной колонны 0,7.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при превышении критерием качества цементирования единицы определяют суммарное тепло, выделенное при гидратации цементом, поглощенным окружающими скважину породами, за исключением тепла, израсходованного на нагрев поглощенных окружающими скважину породами бурового и тампонажного растворов на момент исследования во время ожидания затвердевания цемента, а суммарное тепловыделение в затрубном пространстве скважины 1 кг тампонажного раствора на момент исследования во время ожидания затвердевания цемента в исследуемом метровом интервале определяют из выражения



где Q_пц суммарное тепло, выделенное при гидратации цементом, поглощенным окружающими скважину породами, за исключением тепла, пошедшего на нагрев поглощенных окружающими скважину породами бурового и тампонажного растворов на момент исследования во время ожидания затвердевания цемента, ккал.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что измеряют массу 1 погонного метра обсадной колонны, теплоемкость бурового раствора в скважине и обсадной колонны, температуру бурового раствора в скважине перед и при спуске обсадной колонны, температуру в цементном кольце при гидратации цемента поддерживают в течении 16 ч после окончания цементирования выше 9^oС и на момент времени 26 ч после окончания цементирования выше 6^oС, при этом температуру обсадной колонны при спуске в скважину поддерживают выше значения, определяемого из выражения



где t_т температура обсадной колонны при спуске в скважину, ^oС;

d_кав, d_к, d_ко диаметр соответственно открытого ствола скважины, обсадной колонны наружный и внутренний, м;

М_т масса одного погонного метра спускаемой обсадной колонны, кг;

_б- плотность бурового раствора в скважине, кг/м³;

С_б, С_т теплоемкость соответственно бурового раствора в скважине и обсадной колонны, ккал/кг^oС;

t_б температура бурового раствора в скважине при спуске обсадной колонны.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что, с целью выявления интервалов многолетнемерзлых и низкотемпературных пород со значительными объемами замерзающего бурового раствора невытесненного цементом из затрубья при величине коэффициента качества цементирования обсадной колонны в этих интервалах, меньшей 0,4, и начальной температуры окружающих пород, меньшей -2,5^oС, определяют объем бурового раствора, невытесненного из затрубья, температуру в цементном кольце на момент исследования, температуру бурового раствора, невытесненного цементом из затрубья на момент окончания закачки продавочной жидкости, тепло, выделенное цементным кольцом при гидратации цемента, перераспределенное в буровом растворе, невытесненном цементом из затрубья, суммарное количество тепла выделяемое 1 кг цементного раствора в затрубном пространстве при гидратации цемента в метровом интервале ниже и выше исследуемого, а суммарное тепловыделение в затрубном пространстве скважины 1 кг тампонажного раствора на момент исследования во время ожидания затвердевания цемента в исследуемом метровом интервале определяют из выражения



где Q_б тепло, выделенное цементным кольцом при гидратации цемента, перераспределенное в буровом растворе, невытесненном цементом из затрубья, определяемое из выражения, ккал,

Q_б С_б V_б (t_ц - t_нб),

где V_б объем бурового раствора, невытесненного из затрубья, м³;

t_ц, t_нб температура соответственно в цементном кольце на момент исследования и бурового раствора, невытесненного цементом из затрубья на момент окончания закачки продавочной жидкости, ^oС,

при этом, если суммарное количество тепла, выделяемое 1 кг цементного раствора в затрубном пространстве при гидратации цемента в метровом интервале выше исследуемого, больше суммарного количества тепла, выделяемого 1 кг цементного раствора в затрубном пространстве при гидратации цемента в метровом интервале ниже исследуемого и меньше или равно 0,4 величины предельного суммарного количества тепла, которое выделяет 1 кг тампонажного раствора при заполнении им всего затрубного пространства на момент исследования во время ожидания затвердевания цемента при его гидратации в цементном кольце, принимают суммарное тепловыделение в затрубном пространстве скважины 1 кг тампонажного раствора на момент исследования во время ожидания затвердевания цемента в исследуемом метровом интервале, равном суммарному количеству тепла, выделяемого 1 кг цементного раствора в затрубном пространстве при гидратации цемента в метровом интервале ниже исследуемого, если суммарное количество тепла, выделяемое 1 кг цементного раствора в затрубном пространстве при гидратации цемента в метровом интервале ниже исследуемого больше суммарного количества тепла, выделяемого 1 кг цементного раствора в затрубном пространстве при гидратации цемента в метровом интервале выше исследуемого и меньше или равно 0,4 величины предельного суммарного количества тепла, которое выделяет 1 кг тампонажного раствора при заполнении им всего затрубного пространства на момент исследования во время ожидания затвердевания цемента при его гидратации в цементном кольце принимают суммарное тепловыделение в затрубном пространстве скважины 1 кг тампонажного раствора на момент исследования во время ожидания затвердевания цемента в исследуемом метровом интервале, равным суммарному количеству тепла, выделяемого 1 кг цементного раствора в затрубном пространстве при гидратации цемента в межтрубном интервале выше исследуемого, а если суммарное количество тепла, выделенное 1 кг цементного раствора в затрубном пространстве при гидратации цемента в метровом интервале выше исследуемого, больше или равно 0,4 величины предельного суммарного количества тепла, которое выделяет 1 кг тампонажного раствора при заполнении им всего затрубного пространства на момент исследования во время ожидания затвердевания цемента при его гидратации в цементном кольце и суммарное количество тепла, выделяемое 1 кг цементного раствора в затрубном пространстве при гидратации цемента в метровом интервале ниже исследуемого больше или равно 0,4 той же величины, принимают суммарное тепловыделение в затрубном пространстве скважины 1 кг тампонажного раствора на момент исследования во время ожидания затвердевания цемента в исследуемом метровом интервале, равным 0,4 величины предельного суммарного количества тепла, которое выделяет 1 кг тампонажного раствора при заполнении им всего затрубного пространства на момент исследования во время ожидания затвердения цемента при его гидратации в цементном кольце.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к строительству скважин в условиях многолетнемерзлых и низкотемпературных пород, но может быть использовано при оценке качества крепления и в интервалах пород с более высокими температурами.

Известен способ оценки качества цементирования скважин с использованием акустического метода и термокаротажа при ОЗЦ [1]

Этот способ оценки качества крепления скважины позволяет оценить сцепление цемента с колонной и породой, а термокаротаж в данном способе используется для отбивки высоты подъема цемента за колонной, но не дает оценки полноты заполнения цементом затрубного пространства.

Недостатком известного способа является также то, что он не позволяет оценить удельное тепловыделение цемента при гидратации в затрубном пространстве зацементированной колонны и контролировать процесс схватывания.

Наиболее близким по своей технической сущности является способ комплексного временного термоакустического исследования скважин [2]

Использование этого способа позволяет оценить сроки схватывания цемента в скважине.

Недостатком этого способа является невозможность оценить удельное тепловыделение цемента при гидратации, выявить зоны в затрубье с невытесненным буровым раствором и зоны поглощения раствора. Известный способ не позволяет также определить температуры в цементном кольце и спускаемых в скважину труб, которые необходимо поддерживать на определенном уровне для повышения качества крепления скважин в интервалах ММП.

Целью изобретения является повышение эффективности оценки качества крепления скважины за счет контроля тепловыделения при его гидратации в цементном кольце.

Цель достигается тем, что измеряют температуру окружающих скважину пород, бурового раствора при бурении и промывке, температуру обсадной колонны перед спуском и при спуске в скважину, выходящих бурового и тампонажного растворов на устье скважины при цементировании обсадной колонны, по которым определяют в исследуемом интервале удельное тепловыделение в затрубном пространстве скважины тампонажного раствора на момент исследования во время ожидания затвердевания цемента, тепло, выделяемое цементным кольцом и перераспределенное в нем и между ним и окружающими скважину породами, продавочной жидкостью и обсадной колонной за время, прошедшее после окончания цементирования до момента исследования, во время ожидания затвердевания цемента, при его гидратации, предельное суммарное количество тепла, которое выделяет 1 кг тампонажного раствора при заполнении им всего затрубного пространства на момент исследования во время ожидания затвердевания цемента при его гидратации в цементном кольце, выявляют интервал и радиус зоны поглощения бурового и тампонажного растворов в окружающих скважину породах, определяют критерий качества цементирования обсадной колонны из выражения



где К_кц критерий качества цементирования обсадной колонны;

q_п предельное суммарное количество тепла, которое выделяет 1 кг тампонажного раствора при заполнении им всего затрубного пространства на момент исследования во время ожидания затвердевания цемента при его гидратации в цементном кольце, ккал/кг;

q_ц суммарное тепловыделение в затрубном пространстве скважины 1 кг тампонажного раствора на момент исследования, во время ожидания затвердевания цемента, в исследуемом метровом интервале, определяемое из выражения:



где

Q_ц, Q_п, Q_ж, Q_к тепло, выделяемое цементным кольцом и перераспределенное, соответственно в нем и между ним и окружающими скважину породами, продавочной жидкостью и обсадной колонной за время, прошедшее после окончания цементирования до момента исследования во время ожидания затвердевания цемента при его гидратации, ккал;

_ц плотность тампонажного раствора в затрубном пространстве скважины, кг/м³;

r_кав, r_к радиусы, соответственно открытого ствола скважины и зацементированной обсадной колонны в исследуемых интервалах, м;

а оценку качества крепления скважины производят в пределах значения коэффициента качества цементирования обсадной колонны от 0 до 0,7 при этом значении коэффициента качества цементирования обсадной колонны от 0 до 0,1 судят об отсутствии цемента в затрубном пространстве скважины, от 0,1 до 0,4, о плохом качестве цементирования, от 0,4 до 0,7 об удовлетворительном качестве и о хорошем при превышении коэффициентом качества цементирования обсадной колонны 0,7.

Цель достигается также за счет того, что при превышении критерием качества цементирования единицы, определяют суммарное тепло, выделенное при гидратации цементом, поглощенным окружающими скважину породами за исключением тепла, израсходованного на нагрев поглощенных окружающими скважину породами бурового и тампонажного растворов на момент исследования во время ожидания затвердевания цемента, а суммарное тепловыделение в затрубном пространстве скважины 1 кг тампонажного раствора на момент исследования, во время ожидания затвердевания цемента, в исследуемом метровом интервале определяют из выражения:

,

где Q_пц суммарное тепло, выделенное при гидратации цементом, поглощенным окружающими скважину породами, за исключением тепла, пошедшего на нагрев поглощенных окружающими скважину породами бурового и тампонажного растворов на момент исследования во время ожидания затвердевания цемента, ккал.

Цель также достигается за счет того, что измеряют массу 1 погонного метра обсадной колонны, теплоемкость бурового раствора в скважине и обсадной колонны, температуру бурового раствора в скважине перед и при спуске обсадной колонны, температуру в цементном кольце при гидратации цемента поддерживают в течение 16 ч после окончания цементирования выше 9,0^oC и на момент времени до 26 ч после окончания цементирования выше 6,0^oC, при этом температуру обсадной колонны при спуске в скважину поддерживают выше значения определяемого из выражения



где t_б температура бурового раствора в скважине при спуске обсадной колонны, ^oC;

t_т температура обсадной колонны при спуске в скважину, ^oC;

d_кав, d_к, d_ко диаметр, соответственно, открытого ствола скважины, обсадной колонны наружный и внутренний, м;

M_т масса одного погонного метра спускаемой обсадной колонны, кг;

_б плотность бурового раствора в скважине, кг/см³;

C_б, C_т теплоемкость, соответственно бурового раствора в скважине и обсадной колонны, ккал/кл, ^oC,

с целью выявления интервалов многолетнемерзлых и низкотемпературных пород со значительными объемами замерзающего бурового раствора невытесненного цементом из затрубья при величине коэффициента качества цементирования обсадной колонны в этих интервалах меньшей 0,4 и начальной температуре окружающих пород меньшей 2,5^oC, определяют объем бурового раствора невытесненного из затрубья, температуру в цементном кольце на момент исследования, температуру бурового раствора, невытесненного цементом из затрубья на момент окончания закачки продавочной жидкости, тепло, выделенное цементным кольцом при гидратации цемента, перераспределенное в буровом растворе невытесненным цементом из затрубья, суммарное количество тепла выделяемое 1 кг цементного раствора в затрубном пространстве при гидратации цемента в метровом интервале ниже и выше исследуемого, а суммарное тепловыделение в затрубном пространстве скважины 1 кг тампонажного раствора на момент исследования во время ожидания затвердевания цемента в исследуемом метровом интервале определяют из выражения



Q_б тепло, выделенное цементным кольцом при гидратации цемента и перераспределенное в буровом растворе, невытесненном цементом из затрубья, определяемое из выражения:

Q_б C_б V_б (t_ц t_нб) ккал, (6)

где V_б объем бурового раствора, невытесненного из затрубья, м³;

t_ц, t_нб температура, соответственно, в цементном кольце на момент исследования и бурового раствора, невытесненного цементом из затрубья на момент окончания закачки продавочной жидкости, ^oC,

при этом, если суммарное количество тепла (g_цв), выделяемое 1 кг цементного раствора в затрубном пространстве при гидратации цемента в метровом интервале, выше исследуемого, больше суммарного количества тепла (g_цн), выделяемого 1 кг раствора в затрубном пространстве при гидратации цемента в метровом интервале, ниже исследуемого и меньше или равно 0,4 величины предельного суммарного количества тепла (g_п), которое выделяет 1 кг тампонажного раствора при заполнении им всего затрубного пространства на момент исследования во время ожидания затвердевания цемента, при его гидратации в цементном кольце, принимают суммарное тепловыделение (g_ц) в затрубном пространстве скважины 1 кг тампонажного раствора на момент исследования во время ожидания затвердения цемента в исследуемом метровом интервале, равным суммарному количеству тепла (g_цн, т.е. g_ц g_цн при g_цн < g_цв 0,4 g_п), выделяемого 1 кг цементного раствора в затрубном пространстве при гидратации цемента в метровом интервале ниже исследуемого, если суммарное количество тепла (g_цн), выделяемое 1 кг цементного раствора в затрубном пространстве при гидратации цемента в метровом интервале, ниже исследуемого, больше суммарного количества тепла (g_цв), выделяемого 1 кг цементного раствора в затрубном пространстве при гидратации цемента в метровом интервале выше исследуемого и меньше или равно 0,4 величины (g_п) предельного суммарного количества тепла, которое выделяет 1 кг тампонажного раствора при заполнении им всего затрубного пространства на момент исследования во время ожидания затвердевания цемента при его гидратации в цементном кольце, принимают суммарное тепловыделение (g_ц g_цв при g_цв < g_цн 0,4 g_п) в затрубном пространстве скважины 1 кг тампонажного раствора на момент исследования во время ожидания затвердевания цемента в исследуемом метровом интервале, равным суммарному количеству тепла, выделяемого 1 кг цементного раствора в затрубном пространстве при гидратации цемента в межтрубном интервале выше исследуемого, а если суммарное количество тепла (g_цв), выделенное 1 кг цементного раствора в затрубном пространстве при гидратации цемента в метровом интервале, выше исследуемого, больше или равно 0,4 величины (g_п) предельного суммарного количества тепла, которое выделяет 1 кг тампонажного раствора при заполнении им всего затрубного пространства на момент исследования во время ожидания затвердевания цемента при его гидратации в цементном кольце и суммарное количество тепла (g_цн), выделяемое 1 кг цементного раствора в затрубном пространстве при гидратации цемента в метровом интервале, ниже исследуемого, больше или равно 0,4 той же величины (g_п), принимают суммарное тепловыделение (g_ц) в затрубном пространстве скважины 1 кг тампонажного раствора на момент исследования во время ожидания затвердевания цемента в исследуемом метровом интервале, равным 0,4 величины (g_ц 0,4 g_п при g_цв 0,4 g_п и g_цн 0,4 g_п) предельного суммарного количества тепла, которое выделяет 1 кг тампонажного раствора при заполнении им всего затрубного пространства на момент исследования во время ожидания затвердения цемента при его гидратации в цементном кольце.

Способ позволяет впервые с использованием термометирческого метода определить величину тепловыделения цемента при гидратации в скважине и оценить на основе этого качество цементирования колонн;

выявить зоны поглощения бурового и цементного растворов, зону теплового возмущения пород при бурении скважины и оценить радиусы этих зон;

повысить качество крепления скважин в интервалах ММП и НП, на основе поддержания необходимого теплового режима, температуры труб и цементного кольца.

На фиг. 1 дана оценка качества цементирования кондуктора диаметра 245 мм по скважине N 130, а на фиг. 2 промежуточной колонны диаметром 245 мм по скважине N 6100 в интервалах ММП и НП.

На фиг. 1 и 2 представлена начальная температура 1 окружающих пород в интервалах ММП и НП. При проходке, промывке ствола перед креплением непродолжительное время, менее 10 ч, и поддержании низкой температуры бурового раствора, менее 9^oC, а также пониженной теплоотдачи от специального бурового раствора в окружающие породы, в 1,5 и более раз ниже, чем при использовании в качестве бурового раствора воды, тепловое поле окружающих пород считается слабовозмущенным (невозмущенным) и в выражении (2) в качестве температуры окружающих пород перед цементированием фиг. 1 принимается начальная температура окружающих пород. При интенсивном тепловом воздействии на окружающие породы при бурении, промывке температуры окружающих пород 6 перед цементированием значительно отличаются от начальных температур пород 1 фиг. 2. Объем ствола скважины оценивается по данным кавернометрии (профилеметрии) 3 при номинальном диаметре ствола 5. По температуре 2 замеренной в скважине в процессе ОЗЦ определяется суммарное тепловыделение 4 при гидратации цемента за колонной с учетом температур окружающих пород 1 и 6.

Сущность способа оценки качества крепления скважины заключается в следующем.

Измеряют температуру окружающих скважину пород во время бурения, промывки скважины, замеряют, контролируют температуру бурового раствора на входе его и выходе из скважины на устье, температуру и плотность закачиваемого в скважину цементного и продавочного раствора, а также температуру бурового и цементного растворов, выходящих на устье из скважины при цементировании колонны. Перед спуском колонны оценивают объем ствола скважины и контролируют температуру обсадных труб, опускаемых в скважину. В процессе ОЗЦ, но не ранее чем через 10 ч после окончания продавки цемента, проводят замер температур в скважине (ОЦК или с использование термистров, установленных за колонной). Затем, с использованием полученной термограммы по выражению (2), оценивают суммарное тепловыделение q_ц в цементном кольце при гидратации по исследуемым интервалам на момент снятия термограммы и производят с использованием выражения (1) оценку качества цементирования обсадной колонны термометрическим методом.

В интервалах каверн, в затрубье, где отмечается K_кц<0,4, при температурах окружающих пород t_п-2,5^oC, при опасности смятия колонн, при обратном промерзании оценивают объем V_б бурового раствора, водосодержащих масс, невытесненных цементным раствором из затрубья.

Учитывая тип цемента условия его схватывания в затрубье оценивают предельное суммарное количество тепла q_п, которое может выделить 1 кг цементного раствора в затрубье при его гидратации на момент исследования. Оценку q_п проводят по максимальным значениям q_п, отмеченным при исследовании в затрубье в прилегающих к исследуемому интервалах или на основе лабораторного исследования отобранных проб цементного раствора.

Учитывая q_п, определяется критерий K_кц и согласно ему оценивается качество крепления скважин.

Выражение (2) получено из уравнения теплового баланса, которое можно записать в следующем виде:

Q_г=Q_п + Q_ц + Q_ж +Q_к,

Q_г= q_цц(r²_ц -r²_к), (7),

где Q_г суммарное количество тепла, выделяющееся при гидратации цемента в цементном кольце за колонной на исследуемый момент времени.

С учетом количества тепла Q_б, которое пошло на нагрев бурового раствора, невытесненного цементом из затрубного пространства, а также тепла Q_пц гидратации цемента, проникшего в окружающие породы, выражение (7) примет следующий вид:

Q_г Q_п> + Q_ц + Q_ж + Q_к + Q_б - Q_пц,



где r_кав радиус ствола скважины, каверн в исследуемом интервале, м;

t_цп температура цементного раствора, проникшего в окружающие породы на момент исследования, ^oC;

t_нц начальная температура цементного раствора, проникшего в окружающие породы после окончания продавки, ^oC;

C_цп объемная теплоемкость цементного раствора проникшего в окружающие породы, ккал/м³, ^oC;

_ц относительный объем занимаемый цементным раствором, проникшим в окружающие породы, в долях единицы.

Пример реализации способа.

На скв. 130 бурение под кондуктор диаметром 0,245 м, опускаемый до глубины 550 м, вели долотами диаметром 0,295 м. В процессе углубления температура бурового раствора на входе в скважину не превышала 16,0^oC и в среднем при углублении и промывке равнялась 8,9^oC, а соответственно на выходе из скважины, на устье 8,7^oC. При бурении применялся специальный обработанный полимерами глинистый раствор, а время промывки, бурения ствола до проектной глубины составило 9,0 ч при прокачке бурового раствора с расходом не выше 140,0 м³/ч. После окончания бурения проведена кавернометрия ствола. Объем ствола по кавернограмме до глубины 498 м составил 35,4 м³, а до глубины 550 м соответственно 39,7 м³. Температура опускаемых в скважину обсадных труб составляла 5,0^oC. Кондуктор в интервале ММП цементировался облегченным цементным раствором ЦВС, плотность которого при замерах колебалась в пределах 1550-1740 кг/м³, а на башмак кондуктора закачивался цемент нормальной плотности, по замерам 1790-1810 кг/м³. Температура закачиваемого цементного раствора составляла 8,8-9,5^oC. Цемент вышел из затрубья на устье скважины. Температура его в желобе изменялась в пределах 9,0-10,2^oC. Плотность выходящего на устье цементного раствора составила по замерам 1500 кг/м³. Температура бурового раствора плотностью 1130-1180 кг/м³, использованного как продавочный раствор, при закачке колебалась в пределах 8,1-9,0^oC. Кавернограмма 3 фиг. 1 ствола под кондуктор была снята до глубины 500 м дальше каверномер не пошел. На этой фигуре представлена термограмма ОЦК, позиция 2, снятая через 22 ч после окончания цементирования. На фиг. 1 приведены результаты определения тепловыделения 4 при его гидратации в пространстве за кондуктором и оценка качества его цементирования термометрическим способом. Температура 1 окружающих ствол пород считается невозмущенной и изменяется в пределах от -2,6 до +3,0^oC.

Так на глубине 50 м диаметр каверны составил 0,384 м, начальная температура окружающих пород t_п равнялась -2,6^oC, начальная температура t_нц цементного раствора закачанного за колонну равнялась 9,0^oC, продавочной жидкости t_нж= 8,5^oC, цементируемой колонны t_нк 9,0^oC. Интервал на глубине 50 м зацементирован облегченным цементным раствором плотностью _ц 1700 кг/м³ с включением вермикулита и затворенного на растворе хлористого кальция.

Величины, входящие в выражения (1, 2), определяли следующим образом:





Для использованного указанного типа тампонажного материала можно принять q_п 45 ккал/кг.

K_кц 13,2/45,0=0,29

где C_ц, C_ж, C_к объемная теплоемкость цемента в затрубье, продавочной жидкости и колонны в скважине соответственно ккал/м³, ^oC;

_п, C_п коэффициент теплопроводности и объемная теплоемкость прилегающих к стволу скважины пород, соответственно, ккал/мч, ^oC и ккал/м^3oC;

t_ц температура цементного кольца, продавочной жидкости и цементируемой колонны в скважине считается равной в исследуемый момент времени ОЗЦ, ч;

r_ц, r_к, r_ко внешний радиус цементного кольца за колонной, внешней и внутренней радиусы цементируемой колонны, м;

r_вл радиус влияния согласно И.А. Чарного;

= 1,50 эмпирический безразмерный коэффициент (для определения верхней оценки тепла Q_п, ушедшего в окружающие породы , принимается равным 2,0).

Лабораторные исследования используемого тампонажного материала на образцах показали, что при условиях твердения цемента в затрубье предельное суммарное количество тепла гидратации, выделенное через 22 ч его твердения, должно равняться q_п=45 ккал/кг, т.к. K_кц=0,29<0,40.кц<0,4, а температура окружающих пород t_п=-2,6^oC меньше, чем минус 2,5^oC используем выражение (5) и определяем объем V_б невытесненного цементом замерзающего бурового раствора на интервале одного метра. Считая, что при полном заполнении цементом каверны оценка качества цементирования должна была быть удовлетворительной, т.е. K_кц0,4, принимаем для определения q_ц из выражения (1), K_кц=0,4, учитывая также, что под исследуемой каверной в интервале номинального ствола на глубине 90-125 м, тепловыделение изменяется в пределах 20,0-32,0 ккал/кг, получим

q_ц=K_кцq_п=0,445=18,0 ккал/кг,



В каверне, на интервале один метр, таким образом, объем невытесненного бурового раствора цементом составляет V_б=0,0193 м³.

Таким образом, значительный объем бурового раствора остается невытесненным в каверне на глубине 50 м цементом и в этом интервале возможны смятия колонн при простоях и обратном промерзании водосодержащих масс, что подтверждает оценку качества цементирования колонны на этой глубине как "плохое" (K_кц=0,29). В исследованном интервале требуется проведение специальных мероприятий для предупреждения смятия колонн.

Температура же спускаемых труб в скважину составляет 5,0^oC, что значительно выше, чем t_т, рассчитанной по выражению (4) при t_б=2,0^oC и поэтому не отмечено осложнений со спуском колонны, связанных с примерзанием колонны труб к стенке скважины в интервале ММП.

В интервалах наименьшего диаметра ствола в ММП d_кав=0,295 м, где примерзание колонны при спуске наиболее опасно

t_т=-176,8(0,295²-0,245²+0,220²)=-176,80,0754=-13,3^oC

Согласно термограмме ОЦК фиг. 1 зависимость 2 температура в стволе скважины в процессе ОЗЦ на момент времени 22 ч не снижается ниже 6,0^oC, что при соответствующей технологии цементирования скважин обеспечило хорошее качество цементирования кондуктора, т.е. в интервале глубин 0-500 м хорошее качество цементирования составило 57,0% удовлетворительное 34,0% и плохое 9,0% на интервале каверны 35-41, 48-61 м, 414-428 м, 433-445 м. Скважина, на которой проведено исследование качества крепления, фиг. 1, считается качественно построенной, т. к. при ее строительстве не отмечены осложнения и качество цементирования кондуктора в интервале криолитозоны на 91,0% его длины отмечается как хорошее и удовлетворительное.

Пример применения способа при креплении скважин, в которых отмечается значительное возмущение теплового поля за время бурения.

Бурение скважины N 6100 под промежуточную колонну велось из-под кондуктора диаметром 0,324 м, опущенного до глубины 381 м. Ствол скважины под промежуточную колонну диаметром 0,245 м прошли долотом 0,295 м до глубины 781 м. В процессе углубления ствола проводился замер температуры бурового раствора на входе-выходе на устье скважины. Температура бурового раствора колебалась в пределах 8,0-19,0^oC. Температура закачиваемого тампонажного и продавочного растворов изменялась в пределах 13,0-16,0^oC, плотность тампонажного раствора 1700-1800 кг/м³, продавочного раствора 1200 кг/м³. Буровой раствор и цемент вышли на устье скважины с температурой 12,0-13,0^oC. Температура спускаемой в скважину колонны составляла - 7,5^oC. Перед спуском колонны снята кавернограмма ствола. В связи с длительным бурением с остановками и промывками ствола скважины, температура окружающих ствол пород существенно изменилась. Активное тепловое воздействие на окружающие породы в процессе бурения продолжалось в течение 22 сут. На фиг. 2 показана средняя температура 6 пород окружающих скважину, установившаяся в результате теплового возмущения в процессе бурения перед началом крепления. Для ее определения производится замер температуры в скважине перед началом крепления. Начальная температура пород в криолитозоне изменяется в пределах 0 минус 3,8^oC. До глубины 381 м внутренний диаметр ствола равен внутреннему диаметру кондуктора 0,302 м. В интервале 5,0-100,0 м возможно смятие колонн при обратном промерзании водосодержащих масс при их неполном вытеснении из затрубья цементом. Температура мерзлых пород в этом интервале колеблется в пределах от -2,5 до -3,8^oC. При отсутствии данных замера температуры в стволе скважины перед началом крепления оценку средней температуры t_пв окружающих ствол пород и тепловыделение цемента при гидратации определяют следующим образом. Проведем расчет для глубины 70 м при t_п=минус 3,7^oC и _тв> _ц, t_ц=8,2^oC, r_ц= 0,151 м, Q_пц=0,



Q_ц=7003,14(8,2-13,0)(0,151²-0,122²)-84 ккал,

Q_ж=8803,14(8,2-15,0)112²)=-236 ккал,



Q_п=1,55503,14(8,2-1,8)0,0558=925 ккал,

Q_к=8603,14(8,22-15,0)(0,122²-112²)-41 ккал,



Поглощения цемента в интервале не было, поэтому Q_цп=0. Лабораторное исследование образцов цемента при соответствующих температурных условиях затрубья показало, что предельное суммарное количество тепла гидратации, выделенное цементом через 17 ч, ОЗЦ достигает q_п=36,0 ккал/кг. Определение тепловыделения q_ц= 26,0-30,0 ккал/кг на участках с хорошим качеством цементирования подтвердило лабораторные оценки q_п. Таким образом, на глубине 70 м, без учета тепла Q_б, пошедшего на нагрев бурового раствора невытесненного цементом с учетом критерия К_кц=0,38 качество цементирования оценивается как плохое. Учитывая температуру окружающих пород t_п=минус 3,7^oC и качество цементирования плохое, оцениваем объем V_б невытесненного замерзающего бурового раствора в затрубье. Определим q_ц=0,4 36,0=14,4 ккал/кг.

V_б=3,14(0,151²-0,149²)=0,00157 м³

V_ц=3,14(0,149²-0,122²)=0,0231 м³

В затрубном пространстве на глубине 70 м в интервале одного метра объем невытесненного бурового раствора цементом в процентах от полного объема затрубного пространства составил



При наличии в этом интервале на глубине 70 м за кондуктором и промежуточной колонной невытесненного бурового раствора может привести при обратном промерзании затрубного пространства к разгерметизации колонн. Но в связи с малым объемом 6,3% невытесненного бурового раствора за промежуточной колонной, смятия и разрыва этой колонны на глубине 79 м при обратном промерзании не произойдет.

Учитывая же температуру спускаемой колонны 7,5^oC, согласно расчету по выражению (4), при спуске примерзания колонны к стенке скважины и, соответственно осложнений при спуске, связанных с примерзанием колонны к стенке, не будет.

Согласно термограмме ОЦК фиг. 2 зависимость 2 через 17 ч температура в интервале 42,0 130,0 м ниже 9,0^oC и колеблется в интервале в пределах 8,0 8,7^oC и при этом при отсутствии каверн (цементирование здесь произведено внутри кондуктора), качество цементирования отмечается как плохое. Ниже же интервала 130,0 м температура в скважине повышается с 9,2 до 14,0^oC на глубине 455 м. Ниже отмечается кавернозность и понижение температуры до 13,4 13,7^oC. И в этом интервале отмечается плохое качество цементирования фиг. 2 зависимость 4. Удовлетворительное и хорошее качество цементирования по промежуточной колонне составило 51,0% в интервале 25 679 м.

Пример выявления согласно способу зоны поглощения бурового и тампонажного растворов. На скважине N 2 бурение под кондуктор диаметром 0,245 м, спускаемый до глубины 690 м вели долотами диаметром 0, 295 м. Бурение под кондуктор вели из-под направления диаметром 762 мм, спущенного до глубины 92 м. В процессе бурения под кондуктор были отмечены интенсивные поглощения циркуляции. Способ позволил выявить интервалы поглощения бурового и цементного растворов. В интервале на глубине 102,0 м диаметр каверны составил 0,305 м, температура ОЦК через 21 ч ОЗЦ равнялась 19,3^oC. В этом интервале отмечено существенное тепловое возмущение теплового поля в окружающих породах по сравнению с начальным, общее время бурения и ликвидации осложнений, связанных с поглощением бурового раствора, составило 10,5 сут. Средняя температура бурового раствора при бурении на входе-выходе на устье скважины колебалась в пределах 10,0-12,0^oC. Плотность закачиваемого цементного раствора колебалась в пределах 1670-1800 кг/м³, причем температура закачиваемого цементного раствора в среднем равнялось 12,0^oC, а продавочного раствора +14,0 ^oC. Определим среднюю температуру t_пв окружающих ствол пород при тепловом воздействии на них при строительстве скважины:

t_тв=11,0^oC, t_п=0,4^oC, r_кав=0,152 м, _тв10,5 сут,



t_пв 1,75 (11,0 0,4) (0,220 0,0107) +0,4 4,3^oC,

Q_ц 700 3,14 (19,3 12,0) (0,152² - 0,122²) 132 ккал,

Q_ж 830 3,14 (19,3 14,0) 0,11² 167 ккал,

Q_к 860 3,14 (19,3 14,0) (0,122² - 0,11²) 40 ккал,



Q_п 1,5 610 3,14 (19,3 4,3) 0,0594 2558 ккал,



Оценка предельного суммарного тепловыделения q_п цемента при гидратации показала, что q_п 54,0 ккал/кг. С учетом этого коэффициента качества цементирования К_кц 1,18 больше единицы, поэтому в этом интервале согласно способу отмечается поглощение бурового и цементного растворов. В интервалах, где отмечается поглощение бурового и цементного растворов, вытеснение бурового раствора цементом из затрубья достаточно полное, поэтому принимает Q_б0. Оценим радиус r_пр проникновения бурового и цементного растворов в окружающие породы, согласно следующему выражению



где r_пр оценка радиуса зоны проникновения бурового и цементного растворов в окружающие породы, м;

q_цп, _цп удельное суммарное тепловыделение цемента при гидратации, проникшего в окружающие породы и соответственно его плотность, ккал/кг и кг/м³;

_ц относительный объем, занимаемый буровым и цементным растворами, проникшими в окружающие породы, в долях единицы;

С_цп теплоемкость цементного и бурового растворов, проникших в окружающие породы ккал/м^{3 o}C;

t_нц, t_цп начальная осредненная температура проникших в окружающие породы бурового и цементного растворов и их осредненная температура на момент исследования, ^oC.

где t_цпн, t_цпв осредненные нижняя и верхняя оценка t_цп, ^oC.

При условии t_цп=t_цпн, получаем из (10) r_прн, которое будет, соответственно, равно r_прн < r_пр, а при t_цп=t_цпв, получим r_прв > r_пр.

Для метрового интервала на глубине 102 м имеем следующую оценку радиуса зоны проникновения бурового и цементного растворов с учетом того, что в интервале проникновения качество цементирования хорошее q_ц=0,8 q_п=0,8 54,0=43,2 ккал/кг и приняв _ц=0,03 при r_пр r_тв,





где t_цпо, r_про осредненные оценки t_цп и r_пр, соответственно ^oC и м.

Принимаем r_пр=r_про=0,89 м при _ц0,03

При _ц0,05 и q_цп=10,0 ккал/кг радиус зоны проникновения составит



Таким образом, оценка радиуса проникновения бурового и цементного растворов в окружающие породы составляет r_пр=0,61 0,89 м. На скважине N 2 за направлением, спущенным и зацементированным до глубины 92 м, отмечались проявления бурового раствора при бурении под кондуктор на глубине 102,0 м, что подтверждает полученную оценку радиуса зоны проникновения, так как бурение ствола под направление велось долотом диаметром 0,914 м.

Применение описанного способа позволяет эффективно использовать данные термометрии ОЦК в скважинах, оценить и повысить качество крепления скважин в ММП и НП, выявить зоны поглощения бурового и цементного растворов и зоны невытесненного цементом из затрубья промерзающих водосодержащих масс, промерзание которых при температурах минус 2,5 ^oC и ниже приводит к смятиям и разрывам колонн.

Оценка качества цементирования с использованием предложенного способа, проведенная на ряде скважин месторождений Крайнего Севера Европейской части и Тюменской области показала эффективность его применения.