Первичное цементирование

Кратко о главном

Цель — сплошное цементное кольцо от башмака до заданной высоты подъёма. Направление и кондуктор цементируют до устья, промежуточные и эксплуатационные колонны — с перекрытием предыдущего башмака или выше всех пластов, которые нужно разобщить, хвостовики — по всей длине.
Одноступенчатое цементирование: буферные жидкости, нижняя пробка, тампонажный раствор, верхняя пробка, продавка до «стоп» на упорном кольце; обратный клапан удерживает цемент в затрубье. Длинные колонны над слабыми пластами цементируют в две ступени, хвостовики — через бурильные трубы, колонны большого диаметра — через внутреннюю колонну.
Главная причина плохого цементирования — невытесненный буровой раствор, особенно на узкой стороне эксцентричного затрубья. Помогают центровка, подготовленный раствор, буферные жидкости с иерархией плотностей и трения, высокая подача и движение колонны.
Объём тампонажного раствора — затрубье от верха цемента до башмака (открытый ствол — по кавернограмме с запасом) плюс зумпф и башмачный патрубок; объём продавки — внутренний объём колонны до упорного кольца.
Пока цемент в колонне, он тяжелее раствора в затрубье и уходит сам: колонна идёт на вакуум, возврат больше подачи. В конце продавки тяжелее затрубье: давление на насосах растёт до разности гидростатик плюс трение, а после остановки этот перепад держит обратный клапан.
Давление на забое должно оставаться выше порового и ниже давления гидроразрыва — с учётом трения; время загустевания — больше времени, которое раствор проводит в скважине, с запасом.

Ключевые соотношения

V_{\text{р}} = \sum_i A_{\text{з}i}\,L_i\,(1 + x_i) + V_{\text{зум}} + V_{\text{б}}

объём тампонажного раствора: затрубье по интервалам с запасом $x_i$ , зумпф и башмачный патрубок

V_{\text{пр}} = \sum_j A_{\text{в}j}\,L_j

объём продавки — внутренний объём колонны до упорного кольца (плюс обвязка)

\Delta p_{\text{U}} = 0{,}00981\left(\sum \rho_{\text{з}} h_{\text{з}} - \sum \rho_{\text{к}} h_{\text{к}}\right)

перевес столбов затрубья над столбами в колонне, МПа (г/см³, м); в конце продавки — давление на насосах без трения

\text{SO} = \dfrac{w_{\min}}{(D_{\text{с}} - d)/2}

центровка: наименьший зазор между колонной и стенкой к зазору при идеальной центровке

Где чаще всего ошибаются

Брать объём открытого ствола по диаметру долота, а не по кавернограмме с запасом.
Продолжать продавку, если пробка не села на расчётном объёме: цемент из башмачного патрубка уйдёт в затрубье, и у башмака окажется раствор.
Принимать возврат меньше подачи в середине продавки за поглощение, а давление на насосах около нуля — за неисправность: так насосы заполняют пустоту после свободного падения.
Проверять давление на слабые пласты только по гидростатике: в конце продавки к ней добавляется трение цементных растворов в затрубье.
Забывать, что запас раствора поднимет цемент выше плана, если ствол не так широк, как заложено.

После урока вы сможете

назвать задачи первичного цементирования и выбрать способ: одноступенчатый, двухступенчатый с муфтой, хвостовик, через внутреннюю колонну, обратной циркуляцией;
описать оснастку колонны и наземное оборудование: башмак, обратный клапан с упорным кольцом, пробки, цементировочную головку, центраторы, агрегаты;
рассчитать центровку колонны по стандартному определению и объяснить, как центровка, подготовка раствора, буферные жидкости, режим течения и движение колонны определяют полноту вытеснения;
рассчитать объёмы тампонажного раствора с запасом, буферных жидкостей и продавки, давление в конце продавки, «стоп» и перепад на обратном клапане;
проверить давление на забое и у слабых пород во время работ против порового давления и давления гидроразрыва и объяснить свободное падение раствора в колонне;
увязать время операции с временем загустевания, описать ожидание затвердевания и контроль работ по давлению, расходу, объёмам и весу на крюке.

Задачи и способы цементирования

Требования к цементному кольцу — разобщить пласты, удержать колонну, защитить её снаружи — разобраны в уроке о тампонажных цементах (что требуется от цемента). Здесь — как его получить. Первое решение — высота подъёма цемента (верх цемента, top of cement, TOC). Направление и кондуктор цементируют до устья: они несут вес колонной обвязки и превенторов и защищают пресные воды. Промежуточные и эксплуатационные колонны поднимают с перекрытием башмака предыдущей колонны или хотя бы выше всех проницаемых, газоносных и водоносных пластов, которые нужно разобщить. Хвостовик цементируют по всей длине, вместе с перекрытием. Конкретную высоту и перекрытие задают проект на строительство скважины и правила безопасности.

Способы первичного цементирования

Способ: Одноступенчатый
Как выполняют: раствор закачивают в колонну между двумя пробками и продавливают через башмак в затрубье
Когда применяют: большинство колонн

Способ: Двухступенчатый, с муфтой ступенчатого цементирования
Как выполняют: сначала через башмак цементируют нижний интервал, затем открывают отверстия муфты и цементируют интервал над ней
Когда применяют: длинные колонны над слабыми пластами: давление всего столба цемента их разорвало бы

Способ: Хвостовик
Как выполняют: раствор качают по бурильным трубам; пробка труб сцепляется с пробкой хвостовика и садится на посадочное кольцо
Когда применяют: хвостовики; узкие зазоры

Способ: Через внутреннюю колонну (stab-in)
Как выполняют: бурильные трубы вводят в уплотнение башмака или клапана; цемент качают по ним, без пробок
Когда применяют: направления и кондукторы большого диаметра

Способ: Обратной циркуляцией
Как выполняют: раствор закачивают в затрубье с устья, вытесненная жидкость выходит по колонне
Когда применяют: очень слабые пласты: на них не давит трение подъёма цемента

Способ	Как выполняют	Когда применяют
Одноступенчатый	раствор закачивают в колонну между двумя пробками и продавливают через башмак в затрубье	большинство колонн
Двухступенчатый, с муфтой ступенчатого цементирования	сначала через башмак цементируют нижний интервал, затем открывают отверстия муфты и цементируют интервал над ней	длинные колонны над слабыми пластами: давление всего столба цемента их разорвало бы
Хвостовик	раствор качают по бурильным трубам; пробка труб сцепляется с пробкой хвостовика и садится на посадочное кольцо	хвостовики; узкие зазоры
Через внутреннюю колонну (stab-in)	бурильные трубы вводят в уплотнение башмака или клапана; цемент качают по ним, без пробок	направления и кондукторы большого диаметра
Обратной циркуляцией	раствор закачивают в затрубье с устья, вытесненная жидкость выходит по колонне	очень слабые пласты: на них не давит трение подъёма цемента

Подробнее об особых способах — в последнем разделе урока.

Оснастка колонны и наземное оборудование

Колонну спускают уже оснащённой для цементирования (элементы колонны, подготовка к спуску). От низа вверх:

Башмак (guide shoe, float shoe): направляет колонну по стволу; с обратным клапаном — второй рубеж против возврата цемента.
Обратный клапан с упорным кольцом (float collar): в одной-двух трубах над башмаком. Клапан не даёт тяжёлому цементу вернуться в колонну, а на кольцо садятся пробки. В отечественной оснастке распространены обратные дроссельные клапаны: при спуске они пропускают раствор в колонну (самозаполнение), а затем работают как обратный клапан и кольцо «стоп».
Башмачный патрубок (shoe track): трубы между клапаном и башмаком. Верхняя пробка, идущая за цементом, соскребает со стенок колонны остатки раствора и цемента, и перед ней копится загрязнённый цемент — последняя порция. Когда пробка садится на кольцо, эта порция остаётся в патрубке, а за башмак выходит чистый цемент; патрубок заодно служит запасом на неточность объёма продавки. Его разбуривают вместе с клапаном и башмаком.
Нижняя (разделительная) пробка: резиновая пробка с полостью, закрытой мембраной; идёт перед цементом, очищает стенки и отделяет цемент от буферной жидкости. Когда она садится на кольцо, давление прорывает мембрану, и цемент проходит сквозь пробку.
Верхняя (продавочная) пробка: сплошная; идёт за цементом и отделяет его от продавочной жидкости. Когда она садится на нижнюю, давление резко растёт — это «стоп» (bump): продавка окончена.
Цементировочная головка: навинчивается на колонну; в ней заряжены пробки, которые освобождают по очереди, не разбирая обвязку; к ней подключают линии от агрегатов.
Центраторы, скребки, турбулизаторы: центраторы держат колонну посередине ствола (следующий раздел); скребки снимают корку со стенок; турбулизаторы — лопасти на трубе — закручивают поток на ответственных участках.
Муфта ступенчатого цементирования: ставится в колонну на границе ступеней; её отверстия открывают и закрывают пробками или давлением.

СхемаОдноступенчатое цементирование: промывка; закачка буферной жидкости и цемента между пробками; продавка — нижняя пробка села на кольцо и прорвана, цемент поднимается по затрубью; «стоп» — верхняя пробка села на нижнюю, в башмачном патрубке остался цемент. Схема не в масштабе.

На поверхности цемент хранят и подают пневматически из силосов или цементосмесительных машин, затворяют водой в струйном или рециркуляционном смесителе и закачивают цементировочными агрегатами — насосами высокого давления на автомобильном шасси или на раме (на постсоветском пространстве распространены, например, агрегаты ЦА-320). Главный показатель качества приготовления — плотность: её непрерывно измеряют плотномером на выходе смесителя (плотность и выход). Чтобы получить раствор точно заданной плотности, его иногда готовят заранее в осреднительной ёмкости. Продавливают агрегатами или буровыми насосами; плотность, расход, объём и давление записывают на протяжении всей работы.

Цементирование — работа под давлением

Урок объясняет расчёт и смысл операций и не заменяет программы цементирования и утверждённых процедур. Перед работой линии высокого давления опрессовывают; во время закачки люди находятся вне зоны линий; давление не должно превышать допустимого для колонны, головки, устьевого оборудования и пород.
Поглощение или перелив во время цементирования — события контроля скважины (Контроль скважины: первичный барьер и признаки проявления): на них действуют по процедурам, а работы ведёт персонал, прошедший соответствующее обучение. Цемент и добавки опасны при обращении (безопасность при работе с цементом).

Центровка колонны

Если колонна прижата к одной стенке, затрубье становится эксцентричным: с одной стороны широкая щель, с другой узкая. Перепад давления по длине у обеих сторон один и тот же, а сопротивление узкой щели намного больше, поэтому цемент идёт по широкой стороне, а на узкой буровой раствор почти не движется — и там остаётся сквозной канал раствора вдоль колонны. Против этого колонну центрируют. Меру центровки задаёт стандарт на центраторы (API Spec 10D, ISO 10427-1):

Центровка колонны (standoff ratio)

\text{SO} = \frac{w_{\min}}{(D_{\text{с}} - d)/2}\cdot 100\ \%

где:

$\text{SO}$ центровка — отношение наименьшего зазора к номинальному, %
$w_{\min}$ наименьшее расстояние между наружной поверхностью колонны и стенкой ствола (standoff), мм
$D_{\text{с}},\ d$ диаметр ствола и наружный диаметр колонны; $(D_{\text{с}} - d)/2$ — зазор при идеальной центровке (annular clearance), мм

Единицы: любые одинаковые единицы длины

Справедливо, если

сечение ствола круглое; в каверне $D_{\text{с}}$ — её диаметр;
100 % — колонна точно посередине, 0 % — касается стенки.

Центровка у центратора зависит от его конструкции и от боковой силы на него, между центраторами — ещё и от прогиба трубы. Стандарт задаёт минимальную восстанавливающую силу пружинного центратора именно при центровке 67 % и оговаривает, что это условие для проверки самих центраторов, а не норма центровки колонны в скважине; программы цементирования часто требуют не меньше 70 %, а на ответственных интервалах — больше.

Жёсткие центраторы — сплошные или с лопастями — дают постоянный наименьший зазор и выдерживают большие боковые силы, но в каверне колонна может отойти от оси на всю ширину каверны. Пружинные (bow-spring) — с выгнутыми планками — проходят через сужения и распрямляются в кавернах, но их прижимает боковая сила: в наклонном стволе и на изгибах их подбирают по восстанавливающей силе. Сколько центраторов ставить и где, считают по стандартным методам (API RP 10D-2, ISO 10427-2) или программами изготовителей: по боковой силе на каждый центратор и прогибу трубы между ними.

Отношение скоростей на узкой и широкой стороне эксцентричного затрубья

\frac{v_{\text{у}}}{v_{\text{ш}}} = \left(\frac{\text{SO}}{2 - \text{SO}}\right)^{(n+1)/n}

где:

$v_{\text{у}},\ v_{\text{ш}}$ средняя скорость жидкости в самой узкой и в самой широкой части затрубья, м/с
$\text{SO}$ центровка, в долях единицы, —
$n$ показатель нелинейности степенной модели жидкости, —

Единицы: безразмерное

Справедливо, если

каждый участок окружности затрубья считают узкой плоской щелью со своей шириной, а градиент давления по длине — одинаковым для всех участков (приближение узкой щели);
течение ламинарное, жидкость степенная без предела текучести; у раствора с пределом текучести на узкой стороне течение может остановиться совсем;
ширина щели в узкой части пропорциональна $\text{SO}$ , в широкой — $2 - \text{SO}$ (в долях номинального зазора).

Из формулы потерь для щели (ламинарное течение) скорость при заданном градиенте растёт как ширина щели в степени $(n+1)/n$ — при $n \approx 0{,}4$ это степень около 3,5. Поэтому даже умеренная эксцентричность резко замедляет узкую сторону.

СхемаЦентровка: слева — сечение ствола с колонной, смещённой к одной стенке, наименьший зазор и номинальный зазор; справа — колонна между двумя центраторами в наклонном стволе прогибается к нижней стенке, и в середине пролёта зазор меньше всего. Схема не в масштабе, прогиб преувеличен.

Расчётный примерЦентровка у башмака: жёсткие или пружинные и через сколько труб

Исходные данные (условные)

Колонна у башмака: 244,5 × 11,99 мм; вес в растворе 1,09 г/см³ — 590,5 Н/м; жёсткость на изгиб 12,28 МН·м²
Ствол: 311,1 мм по долоту, отдельные каверны до 340 мм; отклонение ствола от вертикали — до 3°
Центраторы: жёсткий с наружным диаметром 304,8 мм (12″); пружинный, у которого по паспорту восстанавливающая сила при центровке 67 % — 9 кН
Требование программы; головная порция: центровка не меньше 70 %; $n$ = 0,407

Решение

Номинальный зазор в стволе 311,1 мм: $(311{,}1 - 244{,}5)/2 = 33{,}30$ мм. Жёсткий центратор оставляет не меньше $(304{,}8 - 244{,}5)/2 = 30{,}15$ мм: центровка у центратора $30{,}15/33{,}30 = 90{,}5$ %.
В каверне 340 мм зазор 47,75 мм, и тот же центратор даёт лишь $30{,}15/47{,}75 = 63{,}1$ % — меньше 70 %.
Между центраторами трубу прогибает поперечная составляющая веса $590{,}5\cdot\sin 3° = 30{,}9$ Н/м. Прогиб в середине пролёта длинной трубы на равноотстоящих опорах $\delta = w_n L^4/(384\,EI)$ : через две трубы ( $L$ = 24 м) $30{,}9\cdot 24^4/(384\cdot 12\,280\,000) = 0{,}00217$ м, то есть 2,17 мм; через три ( $L$ = 36 м) — 11,0 мм.
Центровка в середине пролёта с жёсткими центраторами в стволе 311,1 мм: $(30{,}15 - \delta)/33{,}30$ — через две трубы 84,0 %, через три 57,5 %.
Пружинный центратор через две трубы несёт $30{,}9\cdot 24 = 742$ Н; при линейной характеристике пружин центровка у него $1 - 0{,}33\cdot 742/9000 = 97{,}3$ %, и в каверне пружины распрямляются до стенки.
Отношение скоростей головной порции на узкой и широкой стороне: при центровке 84,0 % — $(0{,}840/1{,}160)^{3{,}457} = 0{,}33$ , при 57,5 % — $(0{,}575/1{,}425)^{3{,}457} = 0{,}043$ .

Ответ: С жёсткими центраторами через две трубы центровка в середине пролёта — около 84,0 %, через три — только 57,5 %; в каверне жёсткий центратор не даёт и 70 %, поэтому в интервалах каверн ставят пружинные.

Что это значит. Расстановка центраторов — расчёт, а не правило «через трубу»: прогиб растёт как четвёртая степень пролёта, и шаг в полтора раза длиннее дал в пять раз больший прогиб. При центровке 57,5 % головная порция движется на узкой стороне в двадцать с лишним раз медленнее, чем на широкой, — там и остаётся канал бурового раствора. Модель прогиба не учитывает натяжения колонны, которое её выпрямляет: у башмака натяжение мало, и оценка близка к действительности, а выше по колонне она с запасом. Стандартные методы учитывают ещё и силы на участках искривления, где натяжение прижимает колонну к стенке. Данные примера условные.

Вытеснение бурового раствора

Цемент не смывает загустевший буровой раствор сам. Если раствор в затрубье долго стоял, набрал структуру (статическое напряжение сдвига) и оставил на стенках корку, цемент пройдёт по самому лёгкому пути и обойдёт его. Хорошее вытеснение складывается из четырёх мер.

Подготовка раствора. После спуска колонну промывают, пока раствор на выходе не станет однородным, — обычно не меньше объёма затрубья; снижают динамическое и статическое напряжения сдвига. Подвижный раствор легче вытеснить, а промывка показывает, вся ли длина затрубья проходима.
Буферные жидкости (буфер, spacer, wash). Маловязкая промывочная жидкость в турбулентном режиме размывает раствор и корку; утяжелённая буферная отделяет цемент от бурового раствора — их смесь часто резко густеет и плохо твердеет (загрязнение цемента) — и вытесняет раствор поршнем. Совместимость жидкостей проверяют в лаборатории.
Иерархия плотностей и трения. Каждая следующая жидкость должна быть тяжелее предыдущей (на практике — не меньше чем на 10 %) и давать больший градиент потерь при той же подаче (около 20 % и больше): тогда она не прорывается языком сквозь вытесняемую. Объём буфера — на высоту не меньше 150–250 м затрубья или на 10 мин контакта со стенкой при подаче продавки. Это практические правила, а не законы, и их проверяют расчётом для каждой скважины.
Подача и движение колонны. Чем выше подача, тем лучше вытеснение — пока эквивалентная циркуляционная плотность (ЭЦП) остаётся ниже давления поглощения. Вращение колонны (если позволяют соединения и момент) или её расхаживание срывает застойный раствор с узкой стороны; расхаживание при этом даёт колебания давления.

Жидкости примера и иерархия трения (затрубье в стволе 320 мм, 1,6 м³/мин)

Жидкость: Буровой раствор
Плотность, г/см³: 1,09
Показания при 100 / 3 об/мин: 12 / 3
$n$ ; $K$ , Па·сⁿ: 0,395; 0,804
Градиент, Па/м: 340

Жидкость: Промывочная жидкость
Плотность, г/см³: 1,00
Показания при 100 / 3 об/мин: вязкость 1,5 мПа·с
$n$ ; $K$ , Па·сⁿ: 1; 0,0015
Градиент, Па/м: 92

Жидкость: Буферная жидкость
Плотность, г/см³: 1,25
Показания при 100 / 3 об/мин: 30 / 8
$n$ ; $K$ , Па·сⁿ: 0,377; 2,211
Градиент, Па/м: 857

Жидкость: Головная порция
Плотность, г/см³: 1,45
Показания при 100 / 3 об/мин: 50 / 12
$n$ ; $K$ , Па·сⁿ: 0,407; 3,157
Градиент, Па/м: 1410

Жидкость: Хвостовая порция
Плотность, г/см³: 1,90
Показания при 100 / 3 об/мин: 90 / 15
$n$ ; $K$ , Па·сⁿ: 0,511; 3,331
Градиент, Па/м: 2412

Жидкость	Плотность, г/см³	Показания при 100 / 3 об/мин	$n$ ; $K$ , Па·сⁿ	Градиент, Па/м
Буровой раствор	1,09	12 / 3	0,395; 0,804	340
Промывочная жидкость	1,00	вязкость 1,5 мПа·с	1; 0,0015	92
Буферная жидкость	1,25	30 / 8	0,377; 2,211	857
Головная порция	1,45	50 / 12	0,407; 3,157	1410
Хвостовая порция	1,90	90 / 15	0,511; 3,331	2412

Данные условные. Градиенты — по формулам для щели урока о потерях давления; у промывочной жидкости течение турбулентное, она работает размывом и не подчиняется иерархии трения. Плотность каждой следующей вязкой жидкости больше предыдущей на 15–31 %, градиент — в 1,6–2,5 раза.

Расчёт объёмов и материалов

Объём тампонажного раствора складывают из затрубья по интервалам и того, что останется в колонне и под ней. Самая неопределённая часть — открытый ствол: его берут по кавернограмме (замеру диаметра) с запасом, а без неё — по диаметру долота с большим запасом.

Объём тампонажного раствора

V_{\text{р}} = \sum_i A_{\text{з}i}\,L_i\,(1 + x_i) + V_{\text{зум}} + V_{\text{б}}, \qquad A_{\text{з}} = \frac{\pi}{4}\left(D^2 - d^2\right)

где:

$V_{\text{р}}$ объём тампонажного раствора (одной порции или всех), м³
$A_{\text{з}i},\ L_i$ площадь затрубья и длина $i$ -го интервала (в обсаженном интервале $D$ — внутренний диаметр предыдущей колонны), м², м
$x_i$ запас: на обсаженный интервал — ноль, на открытый ствол — по кавернограмме и опыту района, доли
$V_{\text{зум}},\ V_{\text{б}}$ объём зумпфа (ствола ниже башмака) и башмачного патрубка, м³

Единицы: СИ

Справедливо, если

объёмы раствора не меняются при закачке (сжимаемостью и усадкой пренебрегаем);
запас покрывает неточность объёма ствола; если ствол окажется меньше, цемент поднимется выше плана.

Массу цемента находят делением объёма на выход раствора, воду и добавки — по рецептуре (выход раствора).

Объём продавки

V_{\text{пр}} = \sum_j \frac{\pi}{4}\,d_{\text{в}j}^2\,L_j + V_{\text{обв}}

где:

$V_{\text{пр}}$ объём продавочной жидкости до «стоп», м³
$d_{\text{в}j},\ L_j$ внутренний диаметр и длина $j$ -й секции колонны от устья до упорного кольца, м
$V_{\text{обв}}$ объём головки и обвязки от места пуска верхней пробки до колонны, м³

Единицы: СИ

Справедливо, если

номинальные внутренние диаметры; фактический объём отличается на доли процента, поэтому «стоп» ждут около расчётного объёма;
насосы считают по ходам с коэффициентом подачи или по расходомеру; сжатие раствора и колонны под давлением добавляет немного объёма.

Если пробка не села на расчётном объёме, перекачивают не больше половины объёма башмачного патрубка: дальше цемент из патрубка уйдёт в затрубье, и вокруг башмака окажется продавочный раствор.

Расчётный примерОбъёмы, материалы и время цементирования колонны 244,5 мм

Исходные данные (условные)

Скважина и колонна: колонна 244,5 мм по секциям урока о расчёте колонн, башмак 2600 м, кольцо «стоп» на 2576 м (башмачный патрубок — две трубы), забой 2605 м; кондуктор 339,7 × 12,19 мм до 700 м
Ствол по кавернограмме: 320 мм от 700 до 2100 м, 316 мм глубже; запас 10 % сверх кавернограммы
Головная порция: 1,45 г/см³, выход 1,305 м³/т (облегчённая порция с микросферами); от 500 м — на 200 м выше башмака кондуктора — до 2100 м
Хвостовая порция: цемент класса G при В/Ц 0,44: 1,90 г/см³, выход 0,757 м³/т; от 2100 м до башмака, плюс зумпф и башмачный патрубок
Буфер и продавка: промывочная жидкость 4 м³, буферная 10 м³; продавка буровым раствором; обвязка — 0,2 м³; ход насоса 16,2 л, коэффициент подачи 0,95
Подачи: буфер и головная порция — 1,0 м³/мин, хвостовая — 0,8; на пуск верхней пробки — 5 мин; продавка 1,6 м³/мин, последние 3 м³ — 0,5 м³/мин

Решение

Головная порция: в кондукторе $200\cdot\frac{\pi}{4}(0{,}31532^2 - 0{,}2445^2) = 200\cdot 0{,}03114 = 6{,}23$ м³; в открытом стволе $1400\cdot 0{,}03347\cdot 1{,}10 = 51{,}54$ м³; всего 57,77 м³.
Хвостовая порция: в затрубье $500\cdot 0{,}03148\cdot 1{,}10 = 17{,}31$ м³, зумпф $5\cdot\frac{\pi}{4}\cdot 0{,}316^2\cdot 1{,}10 = 0{,}43$ м³, башмачный патрубок $24\cdot\frac{\pi}{4}\cdot 0{,}22052^2 = 0{,}92$ м³; всего 18,66 м³.
Материалы: цемент на головную порцию $57{,}77/1{,}305 = 44{,}3$ т (микросфер 6,3 т, воды 33,2 м³), на хвостовую $18{,}66/0{,}757 = 24{,}6$ т (воды 10,8 м³); всего 68,9 т.
Продавка — колонна до кольца: $300\cdot 0{,}03819 + 1800\cdot 0{,}03885 + 476\cdot 0{,}03819 = 99{,}57$ м³, с обвязкой 99,77 м³; число ходов насоса $99{,}77/(0{,}0162\cdot 0{,}95) = 6483$ . Если пробка не села, перекачивают не больше половины патрубка: 0,46 м³, 30 ходов.
Время: $4 + 10 + 57{,}77/1{,}0 + 18{,}66/0{,}8 + 5 + (99{,}77 - 3)/1{,}6 + 3/0{,}5 = 167$ мин, около 2,8 ч. Головная порция проведёт в скважине 153 мин, хвостовая — 95 мин; с запасом 1 ч их время загустевания при температуре циркуляции должно быть не меньше 3,5 и 2,6 ч.

Ответ: Нужно 57,77 м³ головной и 18,66 м³ хвостовой порции — 68,9 т цемента; продавка — 99,77 м³, по счётчику ходов насоса — 6483; работа займёт около 2,8 ч.

Что это значит. Головная порция — три четверти объёма: облегчённый раствор дёшев на кубометр и не перегружает слабые породы, но его время загустевания — самое длинное требование работы, ведь он закачан первым. Запас 10 % рассчитан на то, что ствол шире кавернограммы; если ствол именно такой, как по кавернограмме, цемент поднимется выше плана — хвостовая порция до 2040 м, головная до 285 м, — и давление на породы будет больше: это проверяют (раздел о свободном падении). На буровую материалы везут с запасом на потери при затворении. Данные примера условные.

Как идёт одноступенчатое цементирование

Порядок работ

1
Промывка
Колонну на глубине промывают, подготавливая раствор; проверяют возврат и вес на крюке, при возможности расхаживают или вращают колонну.
2
Обвязка
Устанавливают цементировочную головку с заряженными пробками, опрессовывают линии; ещё раз сверяют программу: объёмы, подачи, плотности, допустимые давления.
3
Буферные жидкости и нижняя пробка
Закачивают промывочную и буферную жидкости, освобождают нижнюю пробку.
4
Тампонажный раствор
Затворяют и закачивают головную, затем хвостовую порции, непрерывно выдерживая плотность; берут пробы для контроля схватывания.
5
Верхняя пробка
Освобождают верхнюю пробку и убеждаются по указателю головки, что она ушла.
6
Продавка
Продавливают раствором с заданной подачей, считая объём; следят за давлением, возвратом и весом на крюке. Перед расчётным объёмом подачу снижают.
7
«Стоп» и опрессовка
Когда пробка села, давление поднимают выше давления продавки, затем, если предусмотрено, опрессовывают колонну.
8
Проверка клапана
Давление плавно стравливают и замеряют вернувшийся объём: если он равен объёму сжатия, клапан держит. Если раствор продолжает идти, клапан не держит: колонну закрывают и держат в ней давление до схватывания цемента.
9
Ожидание затвердевания
Колонну сажают на подвеску (посадка колонны), монтируют устье и ждут, пока цемент наберёт прочность (ОЗЦ).

Почему нельзя «додавить» пробку

Если «стоп» не наступил на расчётном объёме, первая мысль — продолжать качать. Но пробка могла не выйти из головки или проскочить, объём колонны мог отличаться от расчётного, а насосы — подавать меньше. Лишний объём вытолкнет цемент из башмачного патрубка в затрубье, и у башмака — в самом нагруженном месте — окажется продавочный раствор. Поэтому перекачку ограничивают половиной объёма патрубка, а причину выясняют потом.

Давления во время работ: гидростатика, трение, «стоп»

Колонна и затрубье соединены у башмака, как колена U-образной трубки (сообщающиеся сосуды). Давление на насосах — это то, чего не хватает столбу в колонне, чтобы уравновесить затрубье, плюс трение по пути. В начале работ в колонне тяжелее (цемент), к концу — в затрубье. На забой и стенки ствола давят гидростатика столбов в затрубье и трение в затрубье выше данной глубины — как при бурении (ЭЦП по стволу).

Перевес столбов и давление на насосах

\Delta p_{\text{U}} = 0{,}00981\left(\sum \rho_{\text{з}} h_{\text{з}} - \sum \rho_{\text{к}} h_{\text{к}}\right), \qquad p_{\text{н}} = \Delta p_{\text{U}} + \Delta p_{\text{тр.з}} + \Delta p_{\text{тр.к}}

где:

$\Delta p_{\text{U}}$ перевес столбов затрубья над столбами в колонне на глубине башмака; отрицательный — колонна тяжелее, МПа
$\rho_{\text{з}},\ h_{\text{з}}$ плотность и высота столбов жидкостей в затрубье, г/см³, м
$\rho_{\text{к}},\ h_{\text{к}}$ то же в колонне, г/см³, м
$p_{\text{н}}$ давление на насосах (на цементировочной головке), МПа
$\Delta p_{\text{тр.з}},\ \Delta p_{\text{тр.к}}$ потери на трение в затрубье и в колонне при данной подаче, МПа

Единицы: метрические: МПа, г/см³, м; 0,00981 МПа — давление столба 1 м жидкости плотностью 1 г/см³

Справедливо, если

высоты — по вертикали; столбы считают от устья до глубины башмака;
если $p_{\text{н}}$ по формуле получается отрицательным, давления на насосах нет: жидкость в колонне опускается быстрее подачи (свободное падение, следующий раздел).

После «стоп» и остановки насосов трение исчезает, и $\Delta p_{\text{U}}$ становится перепадом, который держит обратный клапан: если клапан не держит, цемент вернётся в колонну.

Трение в затрубье в конце продавки (0,5 м³/мин)

Жидкость: Раствор
Интервал, м: 0–50
Скорость, м/с: 0,268
Градиент, Па/м: 242
Потери, МПа: 0,012

Жидкость: Промывочная жидкость
Интервал, м: 50–179
Скорость, м/с: 0,268
Градиент, Па/м: 15
Потери, МПа: 0,002

Жидкость: Буферная жидкость
Интервал, м: 179–500
Скорость, м/с: 0,268
Градиент, Па/м: 620
Потери, МПа: 0,199

Жидкость: Головная порция
Интервал, м: 500–700
Скорость, м/с: 0,268
Градиент, Па/м: 989
Потери, МПа: 0,198

Жидкость: Головная порция
Интервал, м: 700–2100
Скорость, м/с: 0,226
Градиент, Па/м: 751
Потери, МПа: 1,051

Жидкость: Хвостовая порция
Интервал, м: 2100–2600
Скорость, м/с: 0,241
Градиент, Па/м: 1251
Потери, МПа: 0,626

Жидкость	Интервал, м	Скорость, м/с	Градиент, Па/м	Потери, МПа
Раствор	0–50	0,268	242	0,012
Промывочная жидкость	50–179	0,268	15	0,002
Буферная жидкость	179–500	0,268	620	0,199
Головная порция	500–700	0,268	989	0,198
Головная порция	700–2100	0,226	751	1,051
Хвостовая порция	2100–2600	0,241	1251	0,626

Расчёт по формулам для щели; открытый ствол — расчётные диаметры 326,6 и 322,3 мм: такой ствол вмещает объём по кавернограмме плюс 10 %. Течение везде ламинарное, кроме промывочной жидкости. Данные условные.

Расчётный примерДавления в конце продавки и после «стоп»

Исходные данные (условные)

После продавки (план): за колонной сверху вниз: раствор 1,09 г/см³ — 50,4 м, промывочная 1,00 — 128,5 м, буферная 1,25 — 321,1 м, головная 1,45 — 1600 м, хвостовая 1,90 — 500 м; в колонне — раствор до кольца (2576 м), в башмачном патрубке — хвостовая
Пласты: поровое давление у башмака 1,05 г/см³; давление поглощения под башмаком кондуктора 1,50 г/см³; гидроразрыв у башмака 1,784 г/см³
Трение: таблица выше; в колонне при 0,5 м³/мин — 0,10 МПа
«Стоп» и опрессовка: по программе — на 3,5 МПа выше давления продавки; затем колонну опрессовывают давлением 30 МПа на устье

Решение

Гидростатика затрубья у башмака: $0{,}00981\,(1{,}09\cdot 50{,}4 + 1{,}00\cdot 128{,}5 + 1{,}25\cdot 321{,}1 + 1{,}45\cdot 1600 + 1{,}90\cdot 500) = 0{,}00981\cdot 3854{,}81 = 37{,}82$ МПа, эквивалент 1,483 г/см³; на глубине 700 м — $0{,}00981\cdot 874{,}81 = 8{,}58$ МПа, 1,250 г/см³.
В колонне: $0{,}00981\,(1{,}09\cdot 2576 + 1{,}90\cdot 24) = 27{,}99$ МПа. Перевес затрубья $37{,}82 - 27{,}99 = 9{,}83$ МПа — столько показали бы насосы без трения и столько держит обратный клапан после «стоп».
Давление на насосах в конце продавки: $9{,}83 + 2{,}09 + 0{,}10 = 12{,}02$ МПа; «стоп» — около 15,5 МПа.
На забой в конце продавки: $37{,}82 + 2{,}09 = 39{,}91$ МПа — ЭЦП 1,565 г/см³, до гидроразрыва у башмака 0,22 г/см³. Под башмаком кондуктора, с трением выше него 0,41 МПа: $(8{,}58 + 0{,}41)/(0{,}00981\cdot 700) = 1{,}309$ г/см³, запас до 1,50 — 0,19 г/см³. При подаче 1,6 м³/мин было бы 1,619 и 1,346 г/см³.
Репрессия на пласты у башмака после остановки: $37{,}82 - 0{,}00981\cdot 1{,}05\cdot 2600 = 37{,}82 - 26{,}78 = 11{,}04$ МПа. Промывочная жидкость в затрубье отнимала у репрессии бурового раствора (1,020 МПа) $0{,}00981\cdot(1{,}09 - 1{,}00)$ МПа на метр своего столба: репрессия исчезла бы при столбе 1155 м — около 39 м³ в стволе 320 мм, а закачано 4 м³.
Опрессовка 30 МПа: на устье это внутреннее избыточное давление при внутреннем давлении текучести верхних труб 47,4 МПа. У кольца изнутри $30 + 0{,}00981\cdot 1{,}09\cdot 2576 = 57{,}54$ МПа, снаружи 37,37 МПа — разность 20,17 МПа.

Ответ: В конце продавки насосы покажут около 12,0 МПа, «стоп» — около 15,5 МПа; обратный клапан будет держать 9,83 МПа. ЭЦП в конце продавки — 1,565 г/см³ у забоя и 1,309 г/см³ под башмаком кондуктора, ниже давления поглощения.

Что это значит. Давление на насосах в конце продавки — почти целиком перевес тяжёлого затрубья; трение добавляет около пятой части. Поэтому рост давления к концу продавки — нормальный признак того, что цемент поднимается по затрубью, а сравнение с расчётом показывает, сколько его там. Самый опасный момент для пород — конец продавки, когда цемент выше всего, поэтому подачу снижают: при 1,6 м³/мин под башмаком кондуктора ЭЦП была бы на 0,037 г/см³ выше. Испытание колонны давлением 30 МПа проводят сразу после «стоп», пока цемент жидкий: если сделать это после схватывания, расширившаяся под давлением колонна отойдёт потом от камня, оставив микрозазор. Данные примера условные.

Свободное падение: колонна уходит на вакуум

Пока в колонне цемент, а в затрубье ещё буровой раствор, колонна тяжелее затрубья. Если перевес больше трения при заданной подаче, давление на насосах падает до нуля, а жидкость в колонне опускается быстрее, чем её закачивают: колонна «уходит на вакуум» (свободное падение, free fall, U-tubing). Наверху колонны образуется пустота, закачиваемый раствор падает в неё, а из затрубья выходит больше, чем подают насосы. Когда тяжёлые жидкости выйдут в затрубье, перевес уменьшится, падение остановится, и насосам придётся сначала заполнить пустоту — в это время возврат меньше подачи, а давление на насосах около нуля. Только потом давление начнёт расти до перевеса затрубья.

Расчётный примерСвободное падение при цементировании колонны 244,5 мм

Исходные данные (условные)

Колонна при пуске верхней пробки, если бы она оставалась заполненной: сверху вниз: хвостовая порция до 485 м, головная — до 1973 м, буферная — до 2232 м, промывочная — до 2337 м, ниже буровой раствор; в затрубье — буровой раствор 1,09 г/см³
Трение: раствора в затрубье при подаче головной порции 1,0 м³/мин — 0,69 МПа
Модель: расчёт урока по шагам закачки (раздел для углублённого изучения): подачи и объёмы — пример «Объёмы, материалы и время»

Решение

Столбы в колонне: $1{,}90\cdot 485{,}4 + 1{,}45\cdot 1487{,}3 + 1{,}25\cdot 259{,}6 + 1{,}00\cdot 104{,}7 + 1{,}09\cdot 263{,}0 = 3794{,}7$ г/см³·м; в затрубье $1{,}09\cdot 2600 = 2834$ .
Перевес колонны $0{,}00981\cdot(3794{,}7 - 2834) = 9{,}42$ МПа — в $9{,}42/0{,}69 = 13{,}7$ раза больше трения. Заполненной колонна оставаться не может.
По модели колонна уходит на вакуум, когда закачано 20 м³ — всего 6 м³ головной порции. К пуску верхней пробки пустота наверху колонны — 27 м³, около 710 м.
Возврат из затрубья больше подачи — до 1,7 м³/мин при подаче хвостовой порции 0,8 м³/мин. В продавке первые 60 м³ уходят на заполнение пустоты: возврат около 0,9 м³/мин при подаче 1,6, давление на насосах около нуля.
Затем давление растёт до перевеса затрубья (пример «Давления в конце продавки»). Наибольшая ЭЦП у забоя по модели — 1,59 г/см³ перед снижением подачи, наименьшая — 1,12 г/см³ в начале, пока в затрубье буровой раствор; у башмака кондуктора — не больше 1,32 г/см³.

Ответ: Колонна почти два часа работает на вакууме: пустота наверху доходит до 710 м, возврат в начале до двух раз больше подачи, а в первые 60 м³ продавки — почти вдвое меньше.

Что это значит. Свободное падение — не авария, а свойство работы с раствором тяжелее бурового; важно его ожидать. Нулевое давление на насосах и возврат больше подачи в начале, возврат меньше подачи в середине продавки — по плану, и только сравнение с расчётом отличает их от поглощения. Пока колонна на вакууме, жидкости падают и перемешиваются на границах, поэтому пробки и буфер особенно нужны. Если ствол не шире кавернограммы и цемент поднимется выше плана, ЭЦП под башмаком кондуктора в конце продавки по той же модели — 1,45 г/см³: запас до 1,50 сократится до 0,05 г/см³ — подачу в конце продавки снижают именно поэтому. Данные примера условные.

РасчётРасчётное давление на насосах по ходу работ для примера урока: почти сразу после начала закачки головной порции колонна уходит на вакуум (давление ноль); после заполнения пустоты в продавке давление растёт до перевеса затрубья и трения — около 12 МПа в конце; провал перед концом — снижение подачи до 0,5 м³/мин.

РасчётПодача насосов и расчётный возврат из затрубья: в свободном падении возврат больше подачи, в продавке, пока насосы заполняют пустоту, — меньше; после этого они совпадают.

РасчётРасчётная эквивалентная плотность по ходу работ у забоя (2600 м) и под башмаком кондуктора (700 м) с границами: поровое давление и гидроразрыв у забоя, давление поглощения под башмаком кондуктора. Обе кривые растут к концу продавки, когда цемент поднимается выше всего; при снижении подачи они на время падают.

После продавки: ожидание затвердевания и контроль

Пока цемент жидкий, он передаёт на пласты полное гидростатическое давление. Загустевая, он набирает статическое напряжение сдвига, опирается на стенки и колонну и перестаёт передавать вес столба вниз; одновременно он теряет объём — уходит фильтрат, идёт химическая усадка. Давление на пласты у башмака падает, и в промежуток, пока раствор уже не передаёт давление, но ещё проницаем, газ может войти в него и проложить канал (миграция газа). Насколько велик риск, показывает простая оценка.

Расчётный примерСколько давления может «удержать» загустевающий цемент

Исходные данные (условные)

Цементный столб: от 500 м до башмака 2600 м: в кондукторе 200 м ( $D - d$ = 70,8 мм), в стволе 320 мм — 1400 м (75,5 мм), в стволе 316 мм — 500 м (71,5 мм)
Репрессия после продавки: 11,04 МПа у башмака (пример «Давления в конце продавки»)
Статическое напряжение сдвига: около 48 Па — раствор начинает «зависать», около 239 Па — газ уже не проходит

Решение

Сумма по интервалам $\sum L/(D - d) = 200/0{,}0708 + 1400/0{,}0755 + 500/0{,}0715 = 28\,361$ .
Структура с напряжением $\tau$ удерживает перепад $4\tau\sum L/(D - d)$ — тот же баланс сил, что при течении: при 48 Па — 5,45 МПа, при 239 Па — 27,1 МПа.
Репрессия 11,04 МПа исчезнет, когда $4\tau\cdot 28\,361 = 11{,}04\cdot 10^6$ Па, то есть при $\tau = 97$ Па — между 48 и 239 Па.

Ответ: В переходный период давление на пласты у башмака может стать ниже порового: если песчаники у кровли зоны аномально высокого пластового давления (АВПД) газоносны, газ может войти в незатвердевший цемент.

Что это значит. Оценка грубая и в запас: столб набирает структуру неравномерно — горячий низ раньше холодного верха, — а часть давления передаётся через поровую воду. Но она показывает, почему против газоносных пластов ставят раствор с коротким временем перехода, малой водоотдачей и без водоотделения, а лёгкую головную порцию над ними не делают длиннее необходимого. Данные примера условные.

Ожидание затвердевания (ОЗЦ) длится, пока цемент у башмака не наберёт прочность, нужную для разбуривания оснастки и испытания под башмаком, — часто около 3,5 МПа на сжатие (испытания цемента). Горячий низ твердеет быстрее холодного верха, поэтому ОЗЦ определяет хвостовая порция у башмака, а лёгкая головная наверху может набирать прочность сутками. Пока идёт ОЗЦ, на устье сажают колонну, ставят катушку и превенторы (посадка и следующая катушка). Где на самом деле оказался цемент и насколько плотно он заполнил затрубье, проверяют термометрией и акустическими методами — это тема урока Ремонтное цементирование, цементные мосты и оценка качества.

Что можно увидеть во время цементирования

Что видно: Давление на насосах около нуля, возврат больше подачи
Вероятная причина: свободное падение: колонна на вакууме
Что делают: продолжают по программе, объёмы ведут по счётчику

Что видно: Давление около нуля, возврат меньше подачи
Вероятная причина: насосы заполняют пустоту после свободного падения
Что делают: сверяют объёмы с расчётом; это не поглощение

Что видно: Давление есть, но ниже расчётного или перестаёт расти; возврат меньше подачи
Вероятная причина: поглощение: порода начала принимать раствор
Что делают: снижают подачу; дальше — по программе и процедурам

Что видно: Давление выше расчётного и растёт
Вероятная причина: сужение затрубья, обезвоживание или загустевание цемента
Что делают: снижают подачу, не превышая допустимого давления

Что видно: Пробка не села на расчётном объёме
Вероятная причина: пробка не вышла или проскочила; неточен объём колонны
Что делают: перекачивают не больше половины башмачного патрубка

Что видно: Пробка села раньше расчётного объёма
Вероятная причина: пробка села на мусор, или цемент загустел в колонне
Что делают: сверяют объёмы: часть цемента могла остаться в колонне

Что видно: После сброса давления из колонны идёт перелив
Вероятная причина: обратный клапан не держит
Что делают: закрывают колонну и держат давление до схватывания

Что видно	Вероятная причина	Что делают
Давление на насосах около нуля, возврат больше подачи	свободное падение: колонна на вакууме	продолжают по программе, объёмы ведут по счётчику
Давление около нуля, возврат меньше подачи	насосы заполняют пустоту после свободного падения	сверяют объёмы с расчётом; это не поглощение
Давление есть, но ниже расчётного или перестаёт расти; возврат меньше подачи	поглощение: порода начала принимать раствор	снижают подачу; дальше — по программе и процедурам
Давление выше расчётного и растёт	сужение затрубья, обезвоживание или загустевание цемента	снижают подачу, не превышая допустимого давления
Пробка не села на расчётном объёме	пробка не вышла или проскочила; неточен объём колонны	перекачивают не больше половины башмачного патрубка
Пробка села раньше расчётного объёма	пробка села на мусор, или цемент загустел в колонне	сверяют объёмы: часть цемента могла остаться в колонне
После сброса давления из колонны идёт перелив	обратный клапан не держит	закрывают колонну и держат давление до схватывания

Схема для понимания связей. Действия на реальной скважине определяют программа цементирования и утверждённые процедуры.

Ещё один прибор — вес на крюке. Пока цемент в колонне, она тяжелеет; когда цемент выходит в затрубье, тяжёлый столб снаружи подпирает её, и вес падает ниже веса в растворе — у колонны урока к концу продавки на треть (вес при посадке). Расхождение с расчётом указывает на ошибку в плотностях или объёмах.

Двухступенчатое цементирование, хвостовики, внутренняя колонна, обратная циркуляция

Двухступенчатое цементирование. Если гидростатика всего столба цемента и трение при продавке превысят давление поглощения слабых пород, столб делят на две ступени. В колонну ставят муфту ступенчатого цементирования — обычно выше слабых пород или около башмака предыдущей колонны. Первую ступень цементируют через башмак, продавливая пробкой, которая проходит сквозь муфту. Затем отверстия муфты открывают — сброшенной в колонну пробкой и давлением или самим давлением, — промывают через них и цементируют вторую ступень; её продавочная пробка закрывает отверстия. Под муфтой часто ставят пакер-манжету или корзину, чтобы цемент второй ступени не опускался. Плата — лишнее время, разбуривание муфты и то, что после первой ступени колонну уже нельзя расхаживать.

Хвостовик спускают на бурильных трубах и подвешивают в предыдущей колонне (подвеска хвостовика). Цемент закачивают по бурильным трубам, а за ним пускают небольшую продавочную пробку труб; дойдя до хвостовика, она сцепляется с его пробкой, срезает её, и обе идут до посадочного кольца. Над хвостовиком цемент поднимают с запасом, затем сажают пакер верха хвостовика, приподнимают инструмент и обратной промывкой вымывают лишний цемент. Зазоры у хвостовиков малы, поэтому трение и ЭЦП велики, центрировать трудно, а водоотдача цемента должна быть особенно низкой; помогает вращение хвостовика во время продавки.

Через внутреннюю колонну (inner string, stab-in) цементируют направления и кондукторы большого диаметра. В башмак или обратный клапан колонны встроено гнездо с уплотнением; в него вводят бурильные трубы и качают цемент по ним, пока он не выйдет на поверхность по затрубью. Пробки не нужны: объём продавки — объём труб, а не колонны, цемента внутри колонны почти не остаётся, работа короче. Цемент обычно чуть «недопродавливают», чтобы раствор продавки не попал за башмак, затем проверяют клапан и поднимают трубы.

Обратной циркуляцией раствор закачивают с устья прямо в затрубье, а вытесняемая жидкость выходит по колонне; обратный клапан при этом не ставят или ставят особый. Слабые породы внизу не нагружаются трением подъёма цемента, и время закачки меньше. Главная трудность — понять, когда цемент дошёл до башмака, чтобы не загнать его в колонну: следят за объёмом и за плотностью выходящей из колонны жидкости.

СхемаОсобые способы: двухступенчатое цементирование с муфтой и пакером-манжетой под ней; хвостовик, подвешенный в предыдущей колонне, с цементом в перекрытии; цементирование кондуктора через бурильные трубы, введённые в уплотнение башмака. Схема не в масштабе.

Термины и обозначения

Верх цемента (TOC): глубина, до которой поднят тампонажный раствор за колонной.
Обратный клапан с упорным кольцом: оснастка в одной-двух трубах над башмаком: удерживает цемент в затрубье и служит седлом для пробок.
Башмачный патрубок: трубы между кольцом «стоп» и башмаком, в которых остаётся загрязнённый цемент.
Нижняя и верхняя пробки: разделительная пробка с мембраной перед цементом и сплошная продавочная за ним.
«Стоп» (bump): рост давления, когда верхняя пробка садится на нижнюю: продавка окончена.
Центровка (standoff ratio): наименьший зазор между колонной и стенкой, делённый на зазор при идеальной центровке, в процентах.
Буферная жидкость: жидкость между буровым и тампонажным растворами: промывочная (маловязкая) или утяжелённая буферная.
Иерархия плотностей и трения: каждая следующая жидкость тяжелее предыдущей и даёт больший градиент потерь — так она вытесняет её поршнем.
Перевес столбов: разность гидростатических давлений затрубья и колонны на глубине башмака; в конце продавки его держит обратный клапан.
Свободное падение: опускание тяжёлой жидкости в колонне быстрее подачи насосов; колонна на вакууме, возврат больше подачи.
Муфта ступенчатого цементирования: муфта с закрываемыми отверстиями для цементирования второй ступени.

Частые ошибки и заблуждения

Неверно

«Объём открытого ствола считаем по диаметру долота».

На самом деле

Ствол почти всегда шире долота, особенно в глинах. Берут кавернограмму с запасом, а без неё — диаметр долота с большим запасом; а затем проверяют, что будет, если ствол окажется меньше и цемент поднимется выше плана.

Неверно

«Давление на насосах в середине продавки ноль — насосы неисправны или идёт поглощение».

На самом деле

Скорее всего, насосы заполняют пустоту, оставшуюся после свободного падения: возврат в это время меньше подачи. Отличить это от поглощения помогает расчёт, заранее показывающий, когда давление должно появиться.

Неверно

«Пробка не села — значит, нужно качать дальше».

На самом деле

Перекачивают не больше половины объёма башмачного патрубка; иначе у башмака окажется продавочный раствор вместо цемента.

Неверно

«Раз цемент тяжелее раствора, он сам вытеснит раствор из затрубья».

На самом деле

Цемент идёт по пути наименьшего сопротивления и обходит загустевший раствор на узкой стороне эксцентричного затрубья. Нужны центровка, подготовка раствора, буферные жидкости и подача.

Неверно

«Если гидростатика в конце не превышает давление поглощения, работы безопасны».

На самом деле

В конце продавки к гидростатике добавляется трение цементных растворов в затрубье: в примере урока — около 0,06 г/см³ под башмаком кондуктора даже при сниженной подаче.

Подробно: для продвинутых

Как рассчитано свободное падение

Модель урока ведёт закачку малыми порциями. Жидкости движутся по колонне и затрубью поршнем, не смешиваясь; положение каждой границы задаёт объём, вышедший из башмака. На каждом шаге проверяют, нужно ли давление на насосах при текущей подаче, — по формуле перевеса столбов с трением по участкам (гидростатика и потери по формулам урока о потерях давления, для каждой жидкости — по её параметрам).

Расход выхода при свободном падении

p_{\text{к}}(z_{\text{в}}) - \Delta p_{\text{тр.к}}(Q) = p_{\text{з}} + \Delta p_{\text{тр.з}}(Q), \qquad \frac{\dd V_{\text{п}}}{\dd t} = Q - Q_{\text{н}}

где:

$p_{\text{к}}(z_{\text{в}})$ гидростатическое давление столба в колонне у башмака, когда его верх опустился до глубины $z_{\text{в}}$ (над ним — пустота), МПа
$p_{\text{з}}$ гидростатическое давление столбов в затрубье у башмака, МПа
$\Delta p_{\text{тр.к}},\ \Delta p_{\text{тр.з}}$ потери на трение в колонне и в затрубье при расходе $Q$ , МПа
$Q,\ Q_{\text{н}}$ расход выхода из башмака (он же возврат на устье) и подача насосов, м³/мин
$V_{\text{п}}$ объём пустоты наверху колонны, м³

Единицы: метрические

Справедливо, если

давление в пустоте принято равным атмосферному; на деле там разрежение, а оно немного сдерживает падение: пустота чуть меньше расчётной;
инерцию жидкостей не учитываем: расход в каждый момент такой, при котором напоры уравновешены;
закачиваемая жидкость сразу ложится на верх столба; зумпф заполнен раствором и в течении не участвует; объём головки и обвязки (0,2 м³) не учтён — он лишь сдвигает продавку на 0,2 м³.

Пока пустота растёт, верх столба в колонне опускается, его давление уменьшается, и выход сам замедляется. Когда тяжёлые жидкости переходят в затрубье, выход становится меньше подачи, пустота заполняется, и при её исчезновении снова работает обычная формула давления на насосах.

Расчёт показывает и то, что трудно оценить вручную: насколько вырастает возврат и, значит, трение в затрубье во время падения. В примере урока это немного — затрубье широкое, — но в узких зазорах резкий рост возврата может поднять ЭЦП у слабых пород выше, чем в конце продавки. Специализированные программы цементирования добавляют инерцию, смешение на границах и тепловой расчёт.

Связь с другими темами

Тампонажные цементы и добавки — классы цементов, плотность и выход раствора, время загустевания, миграция газа — рецептуры головной и хвостовой порций урока.
Устьевое оборудование и спуск обсадных колонн — та же скважина и та же колонна: спуск, долив, посадка и вес на крюке после цементирования.
Обсадные колонны: назначение, типы, свойства и стандарты — башмак, обратный клапан, центраторы и муфта ступенчатого цементирования в составе колонны.
Расчёт обсадных колонн — давление опрессовки при «стоп», нагрузки при цементировании и после него.
Потери давления при циркуляции — формулы трения в затрубье и ЭЦП, по которым считаются давления при цементировании.
Градиент гидроразрыва и испытание на поглощение — давление поглощения под башмаком и давление гидроразрыва — верхняя граница давлений при цементировании.
Контроль скважины: первичный барьер и признаки проявления — сообщающиеся сосуды, барьеры скважины и миграция газа как угроза контролю.

Проверьте себя

1
Зачем обратный клапан с упорным кольцом ставят не в башмак, а на одну-две трубы выше?
1. А.Чтобы уменьшить объём продавки
2. Б.Чтобы колонна была легче
3. В.Так требуют центраторы
4. Г.Чтобы загрязнённый цемент, который пробка собирает со стенок, остался в башмачном патрубке, а к башмаку вышел чистый
Показать ответ
Правильный ответ: Г. Чтобы загрязнённый цемент, который пробка собирает со стенок, остался в башмачном патрубке, а к башмаку вышел чистый
Верхняя пробка, идущая за цементом, соскребает со стенок колонны остатки бурового раствора и цемента, и перед ней копится загрязнённый цемент — последняя порция. Когда пробка садится на кольцо, эта порция остаётся в трубах между кольцом и башмаком и разбуривается вместе с ними, а вокруг башмака — в самом нагруженном месте — оказывается чистый цемент. Заодно патрубок служит запасом на неточность объёма продавки.
2
Колонну 177,8 мм со стенкой 10,36 мм цементируют в 600 м открытого ствола по кавернограмме 225 мм с запасом 15 %; башмачный патрубок — 20 м. Какой объём тампонажного раствора нужен без зумпфа?
Показать ответ
Затрубье: $\frac{\pi}{4}(0{,}225^2 - 0{,}1778^2) = 0{,}014932$ м²/м; $600\cdot 0{,}014932\cdot 1{,}15 \approx 10{,}30$ м³. Внутренний диаметр $177{,}8 - 2\cdot 10{,}36 = 157{,}08$ мм, патрубок $20\cdot\frac{\pi}{4}\cdot 0{,}15708^2 \approx 0{,}39$ м³. Всего около 10,7 м³.
3
В середине продавки возврат из затрубья в полтора раза меньше подачи, а давление на насосах около нуля. Что это скорее всего?
1. А.Обратный клапан закрылся
2. Б.Поглощение: порода разорвана
3. В.Пробка села раньше времени
4. Г.Насосы заполняют пустоту, оставшуюся в колонне после свободного падения
Показать ответ
Правильный ответ: Г. Насосы заполняют пустоту, оставшуюся в колонне после свободного падения
При поглощении давление на насосах есть, но обычно ниже расчётного или перестаёт расти, а возврат падает. Нулевое давление при возврате меньше подачи — признак того, что колонна была на вакууме и насосы заполняют пустоту наверху. Расчёт заранее показывает, когда пустота заполнится и давление появится; если оно не появилось в срок, причину ищут дальше.
4
Расчётный объём продавки израсходован, а «стоп» не наступил. Что делать и почему?
Показать ответ
Можно докачать не больше половины объёма башмачного патрубка (в примере урока около 0,46 м³), затем остановиться. Если продолжать, цемент из патрубка уйдёт в затрубье, и вокруг башмака окажется продавочный раствор. Причины — пробка не вышла из головки или проскочила, объём колонны или подача насосов отличаются от расчётных; их выясняют после работы.
5
Колонна 244,5 мм в стволе 311,1 мм опирается на жёсткий центратор диаметром 300 мм. Какова центровка у центратора?
1. А.Около 67 %
2. Б.Около 83 %
3. В.Около 56 %
4. Г.100 %
Показать ответ
Правильный ответ: Б. Около 83 %
Номинальный зазор $(311{,}1 - 244{,}5)/2 = 33{,}3$ мм, наименьший $(300 - 244{,}5)/2 = 27{,}75$ мм; центровка $27{,}75/33{,}3 \approx 0{,}83$ , то есть 83 %. Между центраторами она меньше — на прогиб трубы.
6
Если бы испытание под башмаком кондуктора в скважине урока дало не 1,50, а 1,30 г/см³, можно ли было бы цементировать по той же программе? В конце продавки под башмаком статически 1,25 г/см³ и с трением при 0,5 м³/мин — 1,31 г/см³.
Показать ответ
Нет: 1,31 г/см³ больше 1,30 — в конце продавки порода под башмаком начала бы принимать раствор, хотя статически запас есть. Варианты: продавливать в конце ещё медленнее (трение меньше), облегчить головную порцию или уменьшить её высоту над башмаком кондуктора, а если запаса всё равно нет — цементировать в две ступени с муфтой ниже башмака кондуктора. Каждый вариант снова проверяют расчётом, в том числе для худшего случая, когда цемент поднимется выше плана.

Обновлено: 16 октября 2026 г.