Исследование изменений температуры в период ОЗЦ и их влияния на качество разобщения пластов

В процессе проводки скважины вследствие циркуляции бурового раствора нарушается естественное тепловое поле горных пород вблизи ствола. Теплообменные процессы, происходящие при цементировании обсадной колонны, ана­логичны процессам при промывке с той лишь разницей, что после предварительной промывки буровым раствором в скважину закачивают сравнительно холодный тампонажный раствор с несколько иными теплофизическими свойствами.

Тампонажный раствор, который на поверхности имел ка­кую-то начальную температуру, закачивают в обсадную ко­лонну. Температура пород с глубиной возрастает, поэтому растет и температура тампонажного раствора, движущегося вниз по колонне. Выйдя из-под башмака колонны, он под-

91

нимается по затрубному пространству к устью, соприкасаясь со стенками скважины и одновременно омывая трубы сна­ружи. Поднимаясь вверх по кольцевому пространству, там-понажный раствор некоторое время будет продолжать нагре­ваться за счет тепла пластов, одновременно отдавая часть энергии нисходящему потоку. На определенной глубине тем­пература восходящего потока тампонажного раствора стано­вится равной температуре горного массива. При движении далее вверх тампонажный раствор отдает свое тепло не только нисходящему потоку, но и окружающим породам, имеющим меньшую температуру. Вследствие этого обычно в нижней части ствола скважины к концу продавливания там­понажного раствора температура ниже, а в верхней — выше естественной температуры пород. В связи с тем, что цемен­тирование занимает сравнительно немного времени и выхо­дящий из скважины тампонажный раствор не закачивают обратно, стабилизации теплообмена не происходит. Тепло­вой режим в скважине в рассматриваемом случае является неустановившимся.

В момент окончания продавливания тампонажного раство­ра в заколонном пространстве скважины в течение опреде­ленного времени происходят температурные изменения, обусловленные, с одной стороны, восстановлением естест­венной температуры в массиве горных пород, а с другой — выделением тепла при экзотермических реакциях минералов, составляющих основу тампонажного раствора, с жидкостью затворения (водой). В зависимости от интенсивности проис­ходящего тепловыделения результирующая кривая, отража­ющая изменения температуры в скважине при твердении тампонажного раствора, будет больше или меньше отличать­ся от термограммы, зарегистрированной после закачки буро­вого раствора, не являющегося дополнительным тепловым источником. Поэтому неоднократный термокаротаж ствола скважины в период ОЗЦ должен являться эффективным спо­собом исследования ее термического режима после оконча­ния цементировочных работ, который согласно теоретичес­ким и промысловым данным существенно изменяется.

Временные температурные исследования, проведенные в скв. 14 Юбилейной площади в течение 18 ч после цементиро­вания (см. рис. 27), показали, что за первые 14 ч температура возрастала приблизительно на 1 °С/ч, а в последующие 4 ч снижалась с интенсивностью около 0,5 °С/ч.

Усредненные для определенных интервалов значения из­менений температуры в колонне в период ОЗЦ, полученные

92

по данным временных замеров, приведены в табл. 8, причем знак "минус" означает падение температуры.

Из представленных (см. табл. 8) данных видно, что темпе­ратура в колонне в период ОЗЦ может изменяться на не­сколько десятков градусов Цельсия.

Исходя из результатов исследований, можно выделить два основных типа (I и II) кривых восстановления температуры в скважине в период ОЗЦ: первый тип — температура моно­тонно растет, приближаясь к статической (i^.); второй тип — температура сначала растет, но, превысив статическую, мо­нотонно снижается (рис. 29).

По характеру изменения температуры восстановление ее до естественной в первых трех скважинах (см. табл. 8) отно­сится к первому типу, а в четвертой скважине — ко второму.

Если в таких или аналогичных скважинах в период вос-

Рис. 29. Типовые кривые восстановления темпера­туры в период ОЗЦ в обсадной колонне

t, °С

становления температуры часть внутреннего объема обсадной колонны окажется герметично изолированной, например под муфтой ступенчатого цементирования, то в ней произойдут изменения давления, пропорциональные изменению темпера­туры (изохорический процесс).

При ступенчатом цементировании после окончания цемен­тирования верхней ступени посаженная в седло муфты уп­равляющая пробка герметично закрывает внутренний объем нижней части обсадной колонны. Эта пробка будет прижи­маться к седлу избыточным давлением жидкости в колонне. После окончания цементирования верхней ступени над поса­женной в седло управляющей пробкой образуется цементный стакан, поэтому, даже при значительном повышении давле­ния в нижней части колонны в результате увеличения темпе­ратуры, в большинстве случаев не будет приподнята прижа­тая к седлу управляющая пробка, т.е. не нарушится герметич­ность изоляции внутреннего объема нижней части колонны.

В связи с тем, что значение изменения давления в изоли­рованном объеме колонны зависит не только от изменения температуры, но и от свойств находящейся в этой части ко­лонны жидкости, на стендовой скв. 3 Суздальской площади были проведены соответствующие исследования. Для этой цели заполненные буровым раствором плотностью 1500 — 1700 кг/м³ и условной вязкостью около 30 с/ч по СПВ-5 изо­лированные отрезки обсадной колонны длиной 200 — 500 м, в которые помещали автономные термоманометры, спускали на бурильных трубах до глубины 2000 м, где температура до­стигала 70 °С. Повышение давления в изолированных объе­мах колонны при увеличении температуры на 1 °С составля­ло 0,6 — 0,7 МПа. В случае заполнения изолированного объема колонны чистой водой давление в нем при аналогичных ус­ловиях изменялось на 0,5 МПа при изменении температуры на 1 °ë.

Если бы такие изолированные объемы имелись в колон­нах, спущенных в перечисленные в табл. 8 скважины, то при образовании изолирующего данный объем экрана через 8 ч (см. рис. 29, точки А и Д) за счет влияния температуры дав­ление могло увеличиться на 19 МПа (скв. 1 площади Южный Озек-Суат) или на 10 МПа с последующим снижением на 8,5 МПа (скв. 5 площади Русский Хутор).

Образование изолирующего экрана в колонне через 16 ч (см. рис. 29, точки В и К) привело бы, при повышении тем­пературы на 12 °С, к увеличению давления на 6 МПа (скв. 38 Мирненской площади) или, при снижении температуры на

94

10 °С, к уменьшению его на 5 МПа (скв. 1 площади Южный Озек-Суат).

При возникновении изолирующих экранов в колонне в начале периода ОЗЦ в скв. 38 Мирненской площади, 37 пло­щади Русский Хутор, 1 площади Южный Озек-Суат, 5 пло­щади Русский Хутор давление в колоннах могло бы возрасти соответственно ̇ 32,5; 23,5; 30,0 Ë 14,5 åè‡.

Поэтому при ступенчатом цементировании подобных скважин, вследствие существенных изменений внутреннего давления в период формирования цементной оболочки, воз­можна значительная деформация обсадных колонн и цемент­ного кольца в пределах нижних ступеней, обусловливающая ухудшение качества их цементирования, вплоть до прорыва пластовых флюидов.

Изменение давления в колонне при ступенчатом цементи­ровании обусловлено изменением температуры, происходя­щим после возникновения экрана в колонне (т.е. после це­ментирования верхних ступеней). Важным фактором при этом является не только диапазон изменения температуры, но и длительность этого процесса.

В целях изучения характера изменения во времени темпе­ратуры в период ОЗЦ были проведены неоднократные вре­менные исследования с помощью каротажного электротер­мометра в стволе скв. 182 Мирненской площади, в которую до глубины 2755 м была спущена 140-мм обсадная колонна. За эту колонну был закачан раствор из 15 т чистого и 60 т облегченного тампонажных цементов. Сразу после получения сигнала о давлении "стоп" и снятии цементировочной голо­вки в колонну был спущен электротермометр ТЭГ-2 и нача­ты временные замеры температуры по стволу, проводимые в течение 53 ч. Данные, полученные при временных темпера­турных исследованиях скважины 182 Мирненской площади, сведены в табл. 9.

Анализ приведенных данных показывает, что изменение температуры за период исследования в призабойной зоне превышало 40 °С. При этом максимальные значения ее из­менения в интервале 1500 — 2740 м зарегистрированы через 26,5 ч после окончания цементирования, а интенсивность по­следующего падения температуры в интервале 1500 — 2250 м даже между замерами № 13 и 14 составила 0,5 — 0,8 °С/ч. Та­ким образом, установлены не только значительные (по амп­литуде) колебания температуры (в несколько десятков граду­сов Цельсия), но и длительность протекания этого процесса (несколько суток).

95

l p IЁ" t 9

Восстановление температуры в данной скважине не явля­ется монотонным процессом. Непрерывный рост температу­ры сменяется ее падением с последующим повторением этого цикла (см. табл. 9).

В скважинах с аналогичным характером изменения темпе­ратуры, при возникновении изолирующих экранов в колонне в начале периода ОЗЦ (например, через 6 — 8 ч после цемен­тирования) под экранами будет происходить интенсивное повышение внутреннего давления вследствие роста темпера­тур, а позднее — через 26 —28 ч — снижение температуры, которое вызовет падение давления и, следовательно, расши­рение зазора между цементным кольцом и колонной. Обра­зование такого зазора (например, в пределах нижней ступе­ни) в период твердения тампонажного раствора может при­вести к перетокам между пластами и передаче давления вы­сокопарных пластов на значительные расстояния по зако-лонному пространству.

Таким образом, одной из основных причин перетоков в заколонном пространстве при ступенчатом цементировании можно считать снижение качества разобщения пластов за нижней ступенью колонны. Качество разобщения пластов ухудшается в основном вследствие значительных изменений давления в период ОЗЦ в замкнутом объеме колонны ниже изолирующей его муфты ступенчатого цементирования. Та­кие изменения давления вызываются интенсивными колеба­ниями температуры в процессе восстановления ее до естест­венной в период ОЗЦ. Следовательно, для повышения каче­ства цементирования нижней ступени необходима разработ­ка эффективных способов предотвращения значительных изменений давления в замкнутых объемах колонны при из­менении температуры.