CIMENTAREA SONDELOR

CIMENTAREA SONDELOR

1) Scopul cimentarii

De regula, prin cimentare se intelege operatia de plasare a unei paste liante- uzual preparata din ciment cu apa - in spatiul inelar al coloanelor de burlane. Scopul urmarit este multiplu.

Prin cimentarea spatiului inelar, se impiedica circulatia nedorita. a fluidelor prin spatele coloanelor, dintr-un strat in altul, spre suprafata sau in interiorul lor, prin perforaturi ori pe la siu;

Prin intermediul cimentului, burlanele sunt solidarizate de peretii gaurii de sonda. Ca urmare, coloanele tubate sunt capabile sa preia sarcinile axiale create de greutatea proprie, de greutatea lainerelor si a coloanelor agatate de ele, de presiunea exercitata in prevenitoare sau in capul de eruptie, daca sonda este inchisa sub presiune, de variatiile de presiune si de temperatura. Se mareste, intr-o oarecare masura, capacitatea portanta a coloanelor la presiune exterioara sau interioara. Se evita desurubarea burlanelor si se amortizeaza socurile cand in interiorul lor se roteste garnitura de foraj.

Prin etansarea spatiului inelar, burlanele sunt protejate in exterior de
actiunea agresiva a apelor subterane mineralizate.

Aceste deziderate sunt indeplinite in totalitate numai daca noroiul aflat in spatiul inelar ce urmeaza sa fie cimentat este complet inlocuit si se formeaza un inel de ciment uniform, rezistent si impermeabil, aderent atat la burlane, cat si la rocile din jur. Altminteri, cimentarea este mai mult sau mai putin nereusita

In sonde se efectueaza cimentari si in alte scopuri: combaterea pierderilor de noroi in stratele fisurate sau cu porozitate mare, repararea unei cimentari nereusite sau coloane sparte, impiedicarea apelor si a gazelor sa patrunda in sonda impreuna cu petrolul, abandonarea unei portiuni sau a intregii sonde, formarea unui dop de sprijin, impermeabilizarea si consolidarea rocilor din jur etc.

Cimentarile efectuate imediat dupa introducerea coloanelor de burlane, uneori si cele efectuate in gaura netubata pentru a combate pierderile de noroi sau manifestarile eruptive, se numesc cimentari primare. Cimentarile de remediere, cele pentru retragerea de la un strat epuizat sau inundat, de izolare a unui strat cu gaze sunt considerate cimentari secundare. Acestea din urma sunt executate de obicei in cursul exploatarii sondei.

2) Cimentarea coloanelor

Obiectivele urmarite au fost deja amintite. Dar ele nu au intodeauna aceeasi importanta. De cele mai multe ori este necesara o buna etansare a spatiului inelar; alteori, se cere o rezistenta ridicata a pietrei formate: determinante sunt conditiile geologice, rolul coloanei tubate, scopul sondei etc.

In functie de tipul coloanelor, se disting cimentari de:

coloane intregi;

lainere;

coloane tubate in mai multe sectii;

- coloane cu filtru.

2.1. Cimentarea coloanelor intregi

Sunt folosite mai multe metode de cimentare:

prin interiorul coloanei intr-o singura treapta (operatia normala);

prin interiorul coloanei in doua sau mai multe trepte (cimentarea etajata);

prin exteriorul coloanei (cimentarea inversa);

combinata: partial prin interior si partial prin exteriorul coloanei;

prin prajini introduse in coloana;

prin tevi introduse in spatele coloanei.

Aceste metode sunt alese in functie de adancimea sondei, diametrul coloanei, volumul fluidelor pompate, temperatura, alternanta stratelor cu pre­siune diferita si a rocilor consolidate cu cele instabile, fisurate sau cavernoase, echipamentele disponibile.

2.1.1. Cimentarea normala

Este cea mai raspandita metoda: pasta de ciment se pompeaza prin interiorul coloanei, intre doua dopuri separatoare din cauciuc, iar dupa pasta se pompeaza fluid de foraj, un volum egal cu interiorul coloanei de la suprafata pana la niplul cu valva de retinere montat in apropierea siului. In acest mod, pasta trece pe la siul coloanei si urca pana la inaltimea dorita (fig. 1).

Primul dop are o membrana care se sparge in momentul cand ajunge pe niplul cu valva, la o diferenta de presiune de 15 - 20 bar, permitand sa treaca pasta de ciment mai departe. Cel de-al doilea dop este masiv: cand el se suprapune peste primul, cimentarea este terminata. Pentru a separa pasta de ciment de noroi in spatiul inelar si a mari gradul de dezlocuire, de obicei, inaintea pastei se pompeaza si un dop separator fluid.

Deoarece pasta de ciment are, practic intotdeauna, densitatea mai mare decat a noroiului de refulare, ea tinde sa revina in coloana.

Fenomenul este impiedicat de valva siului si de cea a niplului montat cu doua, trei burlane mai sus. Uneori, la inaltimi mici de cimentare, niplul cu valva este inlocuit cu un simplu inel de retinere a dopurilor separatoare, numit si placa opritoare. In ambele variante, in coloana ramane o oarecare cantitate de pasta, de la siu pana la niplu sau inel. Daca, eventual primul dop lasa pe suprafata burlanelor un film de noroi, care este sters de dopul masiv, atunci un anumit volum de pasta va fi contaminat, dar el va ramane deasupra siului in loc sa treaca in spatele coloanei si sa compromita cimentarea din zona respectiva.

Cand forajul continua, dopurile, valva niplului de retinere, cimentul aflat dedesubtul ei, in interiorul coloanei, si sabotul coloanei cu valva lui sunt frezate cu o sapa cu role.

Pomparea pastei prin interiorul coloanei si nu direct in spatiul inelar are urmatoarele ratiuni. Deoarece gaura de sonda este mai mult sau mai putin neuniforma, volumul spatiului inelar nu poate fi stabilit decat cu aproximatie, in timp ce volumul coloanei se determina destul de precis; pompand pasta prin interiorul coloanei se cunoaste exact momentul cand ea a ajuns in zona ce intereseaza, de la siu in sus. Totodata, in vecinatatea siului, unde cerintele de etansare si rezistenta sunt mai severe, pasta pompata prin interior va fi mai putin contaminata decat atunci cand s-ar pompa direct prin spatiul inelar, unde nu exista posibilitatea de izolare cu dopuri separatoare, in plus, noroiul, avand densitatea mai mica decat a pastei de ciment, este mai usor dezlocuit de jos in sus; la dezlocuirea de sus in jos, cresc posibilitatile de canalizare a pastei si de amestecare cu noroiul.

Cimentarea normala are totusi doua dezavantaje: durata operatiei este mai mare (in afara pastei trebuie pompat si noroiul de refulare), iar presiunea de pompare la sfarsjtul cimentarii este mai ridicata, din cauza diferentei de densitate pasta-noroi de refulare.

Adeseori, se folosesc doua tipuri de pasta: in zona inferioara, unde este nevoie de rezistentp ridicata, o pasta de ciment fara alte adaosuri, iar mai sus o pasta de „umplutura', cu densitatea mai redusa, care sa asigure doar o buna etansare. Se reduce, in acest fel, presiunea asupra stratelor izolate.

Fig 1 Cimentarea normala a unei coloane de burlane

a-pomparea pastei; b-pomparea noroiului de refulare;

c-sfarsitul operatiei.

3) Calculul cimentarii

Orice operatie de cimentare presupune stabilirea, adeseori prin proiectul sondei, a parametrilor acesteia: intervalul si metoda de cimentare, compozitia si proprietatile pastei, cantitatile de ciment, reactivi si adaosuri, volumul de apa pentru preparare, volumul si natura fluidului separator, volumul noroiului de refulare, regimul de pompare si durata operatiei, tipul si numarul agregatelor de cimentare, caracteristicile echipamentelor auxiliare necesare.

Acesti parametri depind de: genul operatiei, tipul coloanei de burlane, tehnologia, materialele si mijloacele disponibile, constructia sondei, natura si

proprietatile fluidului din sonda, temperatura, litologie, natura si presiunea fluidelor din porii rocilor izolate, presiunea de fisurare a formatiunilor.

Frecvent, se folosesc doua tipuri de pasta: prima transa (fruntea) cu densitatea mai redusa pe seama unor adaosuri usoare, iar a doua transa (coada), care izoleaza zona siului si eventualele strate productive, din ciment curat. In cele ce urmeaza ne rezumam la cimentarea coloanelor de burlane in sonde verticale, cu un singur tip de pasta si un dop fluid separator.

Intervalele cimentate, natura si densitatea pastelor preconizate, chiar si metoda de cimentare sunt preconizate in programul de constructie a sondei dar, uneori, ele trebuie adaptate la mijloacele disponibile si conditiile gelogo-tehnice concrete.

Tipul cimentului, natura si concentratia aditivilor se stabilesc in conformitate cu temperatura din sonda, litologia rocilor, prezenta apelor corozive si densitatea necesara.

4) Proiectarea cimentarii coloanelor

4.1. Cimentarea coloanei de ancoraj

Date necesare realizarii calculului de cimentare:

Ø         diametrul coloanei de ancoraj :

Ø           diametrul sapei coloanei de ancoraj:

Ø           adancimea de tubare a coloanei de ancoraj:

Ø           densitatea fluidului de foraj folosit pe intervalul 0 - 500 m:

Ø           diametral interior mediu al coloanei de ancoraj de 12 3/4 in:

Ø           inaltimea inelului de retinere a dopurilor fata de siul coloanei de
8 5/8 in:

Ø           gradientul de fisurare a rocilor la siul coloanei de suprafata:

Ø           vascozitatea fluidului de foraj:

Ø           tensiunea dinamica de forfecare a fluidului de foraj:

Adancimea de cimentare a coloanei de ancoraj.
H_c=H_a

Densitatea pastei de ciment si proprietatile reologice ale pastei de ciment.
Se alege densitatea pastei de ciment, p_p = 1800 kg/m³, prin urmare se va

folosi o pasta normala, preparata din apa si ciment S2- RS, cu urmatoarele proprietati reologice:

Vascozitatea pastei de ciment:

Tensiunea dinamica de forfecare a pastei de ciment:

Calculul volumului pastei de ciment.

Diametrul mediu al gaurii de sonda, cu un coeficient de cavemometrie, k₁

Aria sectiuni transversale a spatiului inelar netubat:

Aria sectiuni transversale a interiorului coloanei

Volumul pastei de ciment:

Cantitati de materiale. Cantitatile unitare de ciment si apa, cu densitatea cimentului ρ_c = 3150 kg/m³ si respectiv a apei ρ_a = 1000 kg/m³, se determina din sistemul:

Cantitatea unitara de ciment:

          1173kg/m³ ciment/1m³ pasta

Volumul unitar de apa :

Cantitatile totale de materiale, cu un coeficient ce tine seama de pierderile de pasta in strate si ciment la preparare, se admite k₂ =1,05.

Cantitatea totala de ciment praf:

Volumul total de apa :

Numarul de autocontainere APC -10, cu capacitatea de 10000kg

Durata de preparare a pastei din cimentul aflat intr-un autocontainer este de 15-20 minute. Se va folosi un agregat de cimentare, succesiv, la doua autocontainere.

6. Volumul fluidului de refulare, ce se calculeaza cu un coeficient ce tine seama de compresibilitatea noroiului datorita aerarii, k₃ = 1,03 si cu volumul manifoldului V_m care se neglijeaza in raport cu volumul coloanei, va fi:

7. Volumul interior al coloanei.

Se aleg agregate de cimentare AC-500, echipate cu plunjere de 115 mm, care la vitezele a 2-a si a 3-a, au un debit de 500 - 8001/min (8 - 13 1/s), cu un randament volumic de 80 %, la presiunea maxima de 130 - 100 bar. Se accepta pomparea pastei de ciment cu sapte agregate, la un debit de 111/s.

Performantele agregatului de cimentare AC-500, sunt prezentate in tabelul urmator:

Stabilirea numarului de agregate de cimentare:

Dupa terminarea operatiei de cimentare se va scurge presiunea din coloana la 'zero' si nu se va reface daca valva tine.

Daca valva de retinere nu este etansa se reface in coloana, presiunea la valoarea presiunii diferentiale pasta ciment - fluid de foraj.

8. Sistemul de etansare.

Dupa intarirea cimentului se va degaja gura putului pentru a permite montarea flansei de etansare prin insurubare in cepul primului burlan de 12 3/4 in prezentat in fig,2..