Анализатор миграции газа производства компании OFI Testing Equipment, inc.

Анализатор миграции газа производства компании OFI Testing Equipment, inc.

Чжу Д.П., ЗАО "ЭПАК-Сервис"

Из двух основных целей первичного цементирования - крепление обсадной колонны и зональная изоляция – последняя представляется наиболее трудно достижимой в условиях потенциальной опасности миграции газа в цементное кольцо.

Миграция газа – сложный процесс и вызывается многочисленными взаимосвязанными факторами. При этом механизм миграции газа по зацементированному пространству меняется от скважины к скважине.

Проникновение газа в зацементированное затрубье происходит тогда, когда давление в затрубье в зоне газоносного интервала падает ниже величины давления пластового газа, т.е. появляется градиент давления, действующий по направлению из пласта в скважину. В этом случае газ мигрирует либо к пласту с более низким давлением, либо в направлении устья. Также необходимо наличие свободного пространства внутри зацементированного затрубья для заполнения его газом, которое может находиться в пределах цементной среды или вблизи нее.

Понимание механизма миграции газа осложняется эволюцией столба цемента в затрубье с течением времени:

• Состояние 1:  После закачки, цементный раствор в затрубье представляет собой плотную суспензию твердых частиц, которая полностью передает гидростатическое давление на пласт. Однако, почти сразу, же давление в затрубье начинает падать благодаря сочетанию структурирования (развития статического напряжения сдвига), водоотдачи и объемной усадки цемента. Когда давление в затрубье упадет ниже давления в газоносном пласте, то появляется потенциальная возможность для проникновения газа.
• Состояние 2:  Двухфазный материал, представляет собой матрицу связанных между собой твердых частиц, содержащую поровую жидкость. При этом схватывание раствора продолжается, а гидратация ускоряется. Давление (теперь это поровое давление) продолжает снижаться по мере поглощения воды гидратацией цемента. Более того, на этой стадии  происходит большая часть усадки, что ведет к тангенциальным разрывным напряжениям в затрубье, которые могут способствовать инициированию трещин и нарушению сцепления между цементом и обсадной колонной или породой. Из-за усадки и уменьшения объема воды резко понижается гидростатическое давление, оказываемое цементом на породу.
• Состояние 3:  Упруго-твердое. После завершения гидратации цемент представляет собой практически непроницаемый, упругий, хрупкий, однородный материал. Газ более не может мигрировать внутри цементной матрицы, он может только проникать через каналы на границах раздела сред цемент-порода или цемент-обсадная колонна (начинается формирование микрокольцевого пространства или по нарушенным участкам с уменьшенным сцеплением) или через места механических нарушений цементного камня (прорастание трещин).

Цементный раствор не может безгранично долго передавать гидростатическое давление на пласт. А переход из жидкого состояния, определяющего пластовое давление, в непроницаемое твердое состояние не происходит мгновенно. В связи с этим, проникновение газа наиболее вероятно в течение критического (переходного) периода при схватывании цемента, когда столб цемента теряет способность передавать давление на пласт.

ЗАО «ЭПАК-Сервис» является авторизованным дилером компании OFI Testing Equipment, Inc., США (OFITE) и представляет на рынке полный комплекс оборудования для проведения испытаний буровых растворов и тампонажных цементов. Одним из приборов для исследования свойств тампонажных цементов  является лабораторный стенд – Анализатор миграции газа. Анализатор позволяет на реальном образце цементного раствора в реальном времени оценить потенциальную опасность вхождения газа в зацементированное  заколонное пространство в период ОЗЦ, а также подбирать рецептуры цементных растворов, предотвращающих или снижающих миграцию газа.

Анализатор миграции газа позволяет моделировать такие типичные условия внутри скважины, как:

• температура;
• гидростатическое давление;
• пластовое давление;
• градиенты давления, создающие поток газа через столб цемента.

Анализатор миграции газа позволяет определять:

• водоотдачу;
• момент внедрения газа в цементный раствор;
• количество прошедшего газа;
• поровое давление и его изменение в процессе испытания;
• относительную усадку;

Кроме того, Анализатор позволяет в реальном времени отслеживать развитие протекающих процессов.

На рисунке 2 схематически изображена скважина, в которой цемент образует вокруг обсадной колонны кольцо и подвергается воздействию со стороны высокопроницаемой зоны высокого давления газа и проницаемой зоны более низкого давления.

Рис. 2. Схема скважины

После закачки гидростатическое давление столба цемента сдерживает проникновение газа. Когда поровое давление в цементе снижается благодаря сочетанию структурирования, водоотдачи и объемной усадки цемента ниже давления газа в продуктивном пласте, газ может входить в цемент и перемещаться к поверхности или в другую зону с более низким давлением.

Принципиальная схема Анализатора миграции газа представлена на рис. 3.

Рис. 3. Принципиальная схема Анализатора Миграции Газа

Он включает испытательную ячейку, которая имитирует цементное кольцо между создающим давление газоносным пластом и проницаемой зоной более низкого давления и является модифицированной ячейкой для испытаний на водоотдачу при высоких температурах и давлениях (500 мл.).

Дно ячейки перфорировано, представляет собой сетчатый фильтр (325 меш) для определения водоотдачи и соединено с регулятором противодавления для воспроизведения зоны низкого давления. Верх ячейки состоит из крышки специальной конструкции, в которой предусмотрено перемещение полого поршня, оборудованного другим сетчатым фильтром для воспроизведения зоны высокого давления.

Поршень используется для моделирования эффекта гидростатического давления цементного раствора на пласт. Воздействие развития статического напряжения сдвига (СНС) на гидростатическое давление может быть смоделировано при проведении теста снижением давления на цементный раствор. Миграция газа через цементный раствор непрерывно отслеживается датчиками давления и системой измерения количества прошедшего газа.

Конструктивно Анализатор миграции газа представляет собой моноблок с интегрированным компьютером и системой сбора данных (рис. 1). Все измеряемые параметры в реальном времени отображаются на экране монитора в главном рабочем окне программы сбора и обработки данных в графическом и цифровом виде. Собранные данные сохраняются в формате файлов Excel, а также в виде графиков.

Технические характеристики Анализатора Миграции Газа:

• Давление до 10350 кПа
• Температура до 204 °C
• Давление создается сжатым азотом
• Вес:  100 кг
• Габариты: 120 х 90 х 100 см
• Эл. питание: 220В АС

На рисунке 4 в графическом виде представлены  результаты испытания цементного раствора  без добавок.

Рис. 4. Результаты испытания цементного раствора  без добавок

Первоначально, поровое давление цемента остается высоким (1000 PSI – красная кривая), что сопровождается небольшой водоотдачей (черная кривая) и смещением поршня (синяя кривая). Однако, при прохождении цементом переходного состояния (около 2 ч. 20 мин. с момента начала испытания), эффективная проницаемость становится очень высокой, что приводит к быстрой потере несвязанной воды и вторжению газа в цемент (зеленая кривая).

На рисунке 5 представлены  результаты испытания цемента с добавкой, подавляющей вторжение газа.

Рис. 5. Результаты испытания цемента с добавкой, подавляющей вторжение газа

По истечении примерно 4 часов, поровое давление (красная кривая) быстро падает в соответствии с остановкой движения поршня (синяя кривая). Это говорит о том, что цемент отвердел, а создаваемое им гидростатическое давление поддерживалось. По мере того, как давление продолжает уменьшаться, водоотдача стабилизировалась (черная кривая). Проникновение газа не происходит, что говорит о непроницаемости цемента.

Таким образом, применение Анализатора миграции газа позволяет:

• моделировать условия внутри скважины;
• отслеживать протекающие процессы в реальном времени;
• оценить потенциальную опасность вторжения газа;
• проводить испытания реальных рецептур тампонажных цементов в условиях, близких к забойным;
• подбирать рецептуры тампонажных растворов, снижающих или предотвращающих миграцию газа в  зацементированном затрубном пространстве.

Статья подготовлена ЗАО «ЭПАК-Сервис» (г. Омск) по материалам, предоставленным OFI Testing Equipment, Inc. (США, г. Хьюстон).

На базе «ЭПАК-Сервис» работает сервисно – аналитический  центр оборудования OFITE.

По всем вопросам Вы можете обращаться по адресу: 644065, г. Омск, ул. 50 лет Профсоюзов, д.