Герметизацию в затрубном пространстве обеспечивает цементное кольцо, воздействие на которое оказывают многие параметры, относящиеся к планированию и выполнению работ по цементированию: качество цементного раствора, плотность и реологическая характеристики, последовательность закачки цементировочных жидкостей, внутрискважинная скорость потока, а также вращение и расхаживание колонны при центрировании. Но даже при правильном планировании работ по цементированию эксплуатационные проблемы и неудовлетворительное центрирование колонны могут существенно снизить качество затрубного изолирующего кольца.
Как отметил старший научный сотрудник Университета Техаса Майк Коуэн:
«80% всего цементирования — это размещение цементного раствора, а 80% размещения — это центрирование колонны. И если не отцентрировать колонну и не закачать цемент в более чем 99% затрубного пространства, то наивно будет даже надеяться на то, что изоляция окажется надежной и долгосрочной».
Центрирование осуществляется с помощью инструментов, устанавливаемых на обсадную колонну. При их правильном выборе и размещении они могут обеспечить необходимую степень центрирования между обсадными трубами или между трубой и открытым стволом. Степень центрирования колонны вычисляется из эксцентриситета или меры отклонения колонны от центра. При уменьшении степени центрирования необходимо увеличивать скорость потока для эффективного вытеснения бурового раствора. Поскольку жидкости двигаются по пути наименьшего сопротивления, то и буровой раствор в затрубном пространстве большего сечения будет перемещаться быстрее (Рис. 1). В горизонтальных и наклонно-направленных скважинах обсадная колонна обычно смещается к низу, что приводит к высокому эксцентриситету и снижает коэффициент центрирования.
Рисунок 1. Степени центрирования колонны
Идеально отцентрированная колонна имеет 100% степень центрирования, как показано на Рис. 1 слева. Для сравнения: колонна, контактирующая со стенкой скважины, имеет степень центрирования 0%, как изображено на Рис. 1 справа, и может ощутимо препятствовать достижению целостности скважины.
Эффективность вытеснения бурового раствора в процессе цементирования может также снижаться из-за различия скоростей потока в затрубном пространстве. В худшем случае цемент прокачивается в затрубе вдоль всей колонны с широкой стороны затруба, что приводит к образованию канала с другой его стороны, создает путь для миграции газа, перетока пластовых жидкостей и пропанта при ГРП и осложняет добычу.
Экскурс в историю
И пружинный, и жесткий центратор в состоянии правильно разместить колонну внутри скважины. При этом оптимальный центратор выбирают, ориентируясь на тип обсадных колонн и условия их спуска. Большинство центраторов используются как для центрирования обсадной колонны при цементировании, так и для предотвращения дифференциального прихвата колонны путем уменьшения площади поверхности ее контакта со стенкой скважины. Некоторые типы центраторов снижают крутящий момент и силы трения в процессе спуска, а другие только защищают критически важные компоненты колонны, такие как пакер для открытого ствола и контрольная линия.
В начале XX века нефтяные компании разработали и начали активно применять центраторы как эффективный способ обеспечения качественного центрирования, благодаря которому цементный раствор может заполнять все затрубное пространство, способствуя надежной герметизации. И хотя с тех пор условия эксплуатации изменились, и скважины сейчас бурятся в более суровых условиях и на рекордные глубины и длины, незыблемой остается необходимость центрировать колонны для обеспечения разобщения пластов во время цементирования.
Конструкции центраторов претерпевают изменения, совершенствуются, для них подбираются все более прочные материалы, модернизируются технологии производства. Специально спроектированные центраторы для наиболее сложных скважин помогают спустить колонну на всю проектную глубину, уменьшая силу продавливания и страгивающее усилие, а также позволяя проходить места с очень малыми зазорами. Это позволяет центрировать обсадные трубы, например, в расширенном стволе скважины. Появились и центраторы, спроектированные для cпециальных условий, которые обеспечивают высокую степень центрирования даже в боковых стволах.
Но даже учитывая эффективность их применения, в отрасли сохраняются и некоторые стереотипы: например, многие верят, что центраторы застревают в скважине, мешают спуску колонны или увеличивают время ее спуска. Обычно подобные проблемы возникают при несоответствии выбранного типа центратора внутрискважинным условиям, что снижает эффективность работ и может даже привести к дополнительным сложностям при реализации проекта. Однако если обратиться к основам теории цементирования ранних лет, то можно улучшить целостность как цементного кольца, так и самой скважины. Стоит лишь сделать шаг назад и вернуться на стадию планирования процесса, учесть основные цели и задачи центрирования колонны и руководствоваться такой же базовой методологией, как при выборе любой другой технологической оснастки обсадных колонн.
ТАБЛИЦА 1. Выбор центратора в соответствии с требованиями и условиями применения (для достижения оптимальной степени центрирования в случае с 17-дюймовым хвостовиком)
Удачный выбор
Несмотря на улучшение конструкции и совершенствования материалов, из которых изготовлены центраторы, выбор всегда осуществляется в соответствии с внутрискважинными условиями. Если инженеры 50-х годов прошлого века для определения места установки центраторов использовали эмпирические правила, логарифмические линейки и карандаши, то специалисты XXI века экипированы лучшими технологиями и инструментами для выбора типов центраторов и расчета мест их установки и условий спуска колонны при различных внутрискважинных условиях.
Первое программное обеспечение (ПО) для расчета мест установки центраторов, спроектированное в 1990-х годах, вычисляло и оптимизировало степень центрирования, размещение, а также момент и силы сопротивления при спуске. С тех пор ПО дорабатывалось, совершенствовалось и в итоге переросло в мощные вычислительные средства. Однако даже простой элементный анализ при моделировании центратора позволяет улучшить его эксплуатационные характеристики и учесть пожелания заказчика при проектировании и производстве, а также дает возможность проверить соответствие центрирования фактическим условиям.
На рабочие характеристики центраторов влияет множество параметров, таких как угол наклона, расстановка центраторов, сужения в стволе скважины и её фактический диаметр. Для достижения нужной степени центрирования, снижения крутящего момента, снижения трения, или же всего перечисленного сразу при использовании наименьшего количества центраторов используют средства моделирования и модели расстановки. Подобные модели используют такие параметры, как боковое усилие на заданной глубине, вес колонны труб, растягивающая нагрузка и реакция центратора на внутрискважинные воздействия. Моделированием также определяют изгиб обсадной колонны между центраторами, который повышает сопротивление спуску.
Практическое применение
Суть методологии «назад к истокам» заключается в выборе необходимого типа центратора и проектировании спуска, при этом учитывают ожидаемые внутрискважинные условия, желаемую степень центрирования, силу проталкивания центратора и силу трения.
Например, с помощью данной методологии был выбран оптимальный для конкретных внутрискважинных условий тип центратора. Задача состояла в спуске 17-дюймового хвостовика на месторождении в Северном море. При реализации проекта необходимо было выполнять вращение обсадной трубы в процессе цементирования, чтобы пройти 17,77-дюймовое сужение и обеспечить достаточную степень центрирования для цементирования в 20-дюймовом открытом стволе с отклонением ствола от вертикали в 27°.
Первый шаг включал в себя выбор центратора. Зазор между наружным диаметром хвостовика и предыдущей колонной составлял всего 0,77 дюйма, а необходимость вращения исключила возможность применения стандартных сварных центраторов, требующих использования стопорных колец, поскольку их наружный диаметр был бы слишком велик. С другой стороны, жесткие центраторы смогли бы обеспечить вращение и прохождение сужения, но у них не было возможности обеспечить надлежащее центрирование в 20-дюймовом открытом стволе. Выбранный из представленных ниже вариантов пружинный центратор-патрубок полностью соответствовал всем требованиям (Рис. 2).
Рисунок 2. Выбор центратора в соответствии с требованиями и условиями применения (для достижения оптимальной степени центрирования в случае с 17-дюймовым хвостовиком)
Выбранный тип центратора (центратор-патрубок) позволяет обсадной колонне вращаться и имеет возможность сжиматься до размера в 17,5 дюйма, что позволяет ему проходить через сужения. Когда центратор-патрубок выходит в открытый ствол, пружины раскрываются, обеспечивая центрирование от 76 до 100% в 20-дюймовом открытом стволе. При спуске хвостовик прошел все узкие интервалы без каких-либо заметных отклонений от расчетного веса на крюке и достиг проектной глубины без проблем, при этом само цементирование хвостовика проходило с вращением.
Приведем еще один пример правильного подбора центратора, который позволил решить проблему недоспуска обсадных колонн на проектную глубину в Мексиканском заливе. Заказчик три раза подряд столкнулся с прихватами при спуске 7-дюймовых обсадных колонн в боковые стволы. Поскольку застревание колонны, как правило, означает дифференциальный прихват, то увеличение степени центрирования может снизить вероятность такого прихвата, снижая площадь контакта колонны со стенкой скважины. Для решения проблем при спуске необходимо внести изменения в программе расстановки центраторов, т.е. снизить сопротивление при спуске, обеспечить возможность вращения и прохождения участков набора угла, а также приемлемую степень центрирования для проведения цементировочных работ. ПО для моделирования спуска колонны помогло отобрать необходимые типы центраторов, интервалы их установки, степень центрирования и в итоге выбрать наилучшую схему их расстановки, учитывая профиль скважины. Поскольку оператор намеревался спустить 7-дюймовую обсадную трубу в 8,5-дюймовый открытый ствол с углом отхода от вертикали в 88°, то были выбраны допускающие вращение жесткие роликовые центраторы, которые, помимо снижения крутящего момента и сил сопротивления при вращении, снижают остиальные нагрузки и уменьшают коэффициент трения как в обсаженном, так и в открытом стволе. ПО смоделировало наиболее рациональный вариант установки центраторов для достижения степени центрирования в 73-86% в зацементированном участке и надежного разобщения пластов. Используя предлагаемое программой сочетание центраторов, колонна была спущена до забоя с первого раза.
Правильный выбор помогают сделать и средства компьютерного моделирования, которые так помогли при строительстве горизонтальных скважин в пермских отложениях штата Техас (США). Компания-оператор рассматривала возможность бурения горизонтальной скважины глубиной 4200 метров и спуска 5,5-дюймовой эксплуатационной колонны в открытый ствол диаметром 8,75 дюйма. Поскольку точный коэффициент трения в открытом стволе не был известен, то оператор запросил программу расстановки центраторов для горизонтального участка с получением наименьшего трения. Моделирование показало, что наибольшее снижение осевых и торциальных нагрузок во время спуска, а также наилучшей степени центрирования можно достичь, используя сотню роликовых двунаправленных центраторов. Эту колонну также успешно спустили на проектную глубину. Сравнение данных показало, что изменения веса на крюке после выхода колонны на горизонтальный участок оказались минимальным, при этом фактические силы сопротивления в данном случае были на 30% меньше по сравнению с моделью центратора без роликов.
Заключение
Цементный раствор не может обеспечить равномерное заполнение кольцевого пространства вокруг обсадной трубы без достаточного центрирования в интервале цементирования; а без полноценного цементного кольца миграция газа и жидкости может серьезно нарушить целостность скважины – такова основная идея центрирования. Современные технологии и программное обеспечение могут оптимизировать размещение центраторов и помочь в подборе их типов и количества. Выбор оптимальных параметров центрирования способствует снижению силы трения, что облегчает процесс спуска колонны и повышает степень центрирования для получения качественного цементирования. А с помощью методологии «назад к истокам» можно подобрать нужный тип центратора/ов и оптимизировать их размещение на обсадной колонне, что максимально повышает качество работ не только в процессе строительства скважины, но и на протяжении всего срока её эксплуатации.
ТАБЛИЦА 2. Руководство по выбору центратора
Подробная информация по типоразмерам и видам центраторов представлена на сайте www.weatherford.ru
По материалам компании Weatherford
