Cementezéstervezés néhány szempontja

Cementezéstervezés néhány szempontja TORNYI LAJOS

E setenként tapasztalható a kutak béléscsőcem entezés közbeni folyadékvesztesége, vagy a cem entezést követő kútbeindulás a gy ű rű stéroldalon (pl.: 1980-ban a Bike— 1., K öt— 1. fú­ rások) és gyakori a cem entpalásthiba, m elynek egy része a cem entkő szilárdulás közbeni átgázosodásából, vagy utólagos járatosodásából ered. A folyadékveszteség ism ert jelenség. A k ú t­ beindulás, a gázosodás (annak ellenére, hogy a kútban lévő folyadékoszlopból adódó hidroszta­ tikus nyom ás elm életileg ellensúlyozza a pórus­ nyomást) az utólagos járatosodás csak legutóbb vált m agyarázhatóvá. F eladatunk volt az ism ert és a lejátszódó je ­ lenségek m iatt a rétegtartalom kútba áram lását, valam int a folyadékveszteséget kiküszöbölni úgy, hogy megfelelő eljárást, m ódszert, anya­ gok és eszközök használatát javasoljunk.

lopban a nyom ásgradiens a cem enttej keverővíz sűrűségének m egfelelően alakul. Nevezzük ezt В állapotnak. Ekkor a k ú t gyűrűsterében ural­ kodó nyom ást az alábbi képlet szerint szám ít­ hatju k : phsB

— H iQ i

p/n'B Qk

= hidrosztatikus nyom ás В állapotban — a cem enttej keverővízének sűrűsége

> > >

p/lő

<

Pr

(1 )

p/uj = hidrosztatikus nyom ás a kútban Pi,ö = öblítés közben a kútban lévő nyom ás Pr — repesztési nyom ás A cem enttej a szilárdulás kezdetéig hagyom á­ nyos folyadékként viselkedik. Nevezzük ezt A állapotnak. Cem entezés u tán közvetlenül a k ú tb an lévő nyom ás a g yűrűstérben az azt feltöltő folyadék sűrűségéből adódik: p/isa

— H ,Qi

C - j - H cOc C

PAő

(2 )

Hí

= a g yűrűstérben lévő iszaposzlop hosszú­ sága РА^а = a hidrosztatikus nyom ás A állapotban Qi = a gy ű rű steret feltöltő iszap sűrűsége C — állandó Hc = _a g yűrűstérben lévő cem enttej oszlop hosszúsága Qc = a g y ű rű steret feltöltő cem enttej sűrű­ sége. Cem entezést követően, a Texas A M Egyetem K utatási A lapítványa és az Exxon Co., USA vizsgálatai szerint (1) ettől eltérően viselkedik. A még szám ítható legkedvezőtlenebb állapot szerint szilárdulás folyam án, a cem enttej osz­

(3 )

>

PhsA P hsB Pp r =

Folyadékveszteség lép fel, ha a kútban előálló nyom ás nagyobb, m int a repesztési nyom ás. Ezt cem entezésnél öblítés! és statikus állapotban is ki kell küszöbölni. Fenn kell állni a következő egyenlőtlenségnek:

C

A cem entezést úgy kell tervezni, hogy a m ű­ velet kezdetétől a cem enttej m egszilárdulásáig teljesüljön az a feltétel, hogy a kút bárm ely m élységében a gyűrűsterében lévő nyom ás ki­ sebb, m int a repesztési nyomás, de nagyobb, m int a pórusnyom ás.

BEV E ZE TÉ S

p/is

C - ( - H c0 £

Pp r

> ■pórusnyom ás

A tervezés végeredm ényeképpen olyan tech­ nológiát, eszköz és anyag használatát kell java­ solni, am ellyel biztosítható (4) egyenlőtlenség fennállása. A TE R V E ZÉ S M ENETE 1. lépés Ellenőrizzük, hogy egylépcsős, egyfajta kötés­ idejű, hagyom ányos cem entezés esetén a (4) egyenlőtlenség teljesül-e. Az ellenőrzést számí­ tással (például számítógéppel), vagy grafikusan végezhetjük. A szem léletesség érdekében a gra­ fikus eljárást tárgyaljuk. A szám ítógépes prog­ ram ot ennek m egfelelően lehet csinálni. Az: 1. ábrán az ABE nyom ásvonal jelzi az A állapot­ ban a hidrosztatikus nyom ás alakulását (р/ш4 ). Az ABC nyom ásvonal jelzi В állapotban a hid­ rosztatikus nyom ás alakulását (p hsB ). A GF nyom ásvonal (valóságban síkgörbe) a repesztési nyom ás érték ét m utatja. A pórusnyom ást az JI síkgörbével jelöltük. A m ennyiben ABC-görbe nem m etszi Jl-görbét, és a G F-görbénél csupa kisebb értékeket tartalm az az ABE-görbe, ak­ kor a vizsgált keverővíz sűrűséggel, az előírt sűrűségű cem enttejjel, egy lépcsőben a cemen­ tezés hagyom ányosan elvégezhető az adott kö­ rülm ények m ellett. A m ennyiben nem (1. ábra), akkor 2. lépés szerint járu n k el. 2. lépés M egvizsgáljuk m elyik görbék m etszik egy­ m ást. A m ennyiben a J I pórusnyom ás görbét m etszi ABC а В állapot hidrosztatikus nyom ás-

63

f

1. s z á m ú ábra. C e m e n te z é s u tá n i állapotok.

vonala (p hsB ) a 3. lépés szerint járu n k el. A m ennyiben a GF görbét m etszi az A állapot hidrosztatikus nyom ásvonala ABE (ph*A ) a 4. lépés szerint járu n k el.

3. s z á m ú ábra. C e m e n t te j elh e ly e zé s e u tá n a g y ű rű s térre g y a k o ro lt fe ls z ín i n y o m á s s a l a k ú tb e in d u lá s e lke rü lh ető .

M egvizsgáljuk, hogy a cem enttej oszlop tel­ jes hosszát több szakaszra bontva (minőségileg, vagy lépcsőben), cem entezés u tán csőköz oldali kútfej nyom ás alkalm azásával, az iszap sűrűsé­ gének a növelésével, vagy m ás m ódon biztosít-

ható az ABC és a J I görbék m etszésének az el­ kerülése az alábbi megoldási változatok szerint: 3.1. A cem en ttej oszlopot (kötés kezdeti ideje szerint) I. és II. szakaszra bo n tju k (2. ábra). A cem enttej oszlop felső szakaszának (I) a kötés kezdeti idejét nagyobbra (pl.: 5 óra) állítjuk. A cem enttej oszlop alsó szakaszának (II.) a kötés­ kezdeti idejét kisebbre (pl.: 3 óra) állítjuk. így a cem entelhelyezés u tán közvetlen a lyuk gyű­ rű steréb en a nyom ás az ABB’E nyom ásgörbe szerint alakul. Kis idő m úlva a II. szakasz ce-

2. s z á m ú ábra. K i s e b b (II.) és n a g y o b b (I.) k ö té s h e z d e t ű c e m e n tt e j a lk a lm a z á s á v a l a r é t e g n y o m á s k ie g y e n súlyo zha tó .

4. s z á m ú ábra. C e m e n t e z é s u t á n i k ú tb e i n d u lá s e lk e r ü lé s é n e k e s e t e n k é n ti leg jo bb m eg o ld á sa az isza p sű rű ség m e g n ö v e lé se .

3. lépés

64

m enttej В állapotba kerül, ugyanakkor I. sza­ kasz cem enttej m arad A állapotban. Ekkor a nyom ás az ABB’C görbe szerint alakul. А II. cem enttej szakasz m egszilárdulása u tán k erü lt csak I. cem enttej szakasz B. állapotba. A k ú t g y űrűsterében a nyom ás ekkor az ABH görbe szerint alakul. 3.2 A m en n y ib en lehetőségünk van és szüksé­ ges cem entezés után a k ú tfe j gyűrüstér oldalára adjunk nyom ást (3. ábra). így a cem entezés u tán közvetlen a nyom ás a k ú t g y ű rű sté r oldalán az A ’B ’E’ görbe szerint alakul. A cem enttej szilárdulás kezdetétől a g y ű rű sté r nyom ása az A’B’C’ görbe szerint alakul. 3.3. A fúrás közben alkalm azott iszap sűrűségét cem entezés előtt m egnöveljük (4. ábra). A 4. ábrán látszik, hogy am ennyiben kisebb sűrűsé­ gű iszap lenne a kú tb an а В állapotban az ABC nyom ásgörbe m etszené J I pórusnyom ás görbét. A pórusnyom ás nagyobb lenne, m int ekkor a kútban lévő hidrosztatikus nyom ás (p , ). A rétegtartalom beáram lana a kútba. Az iszap­ sűrűség m egnövelésével elérjük, hogy В álla­ potban sem csökken a k ú tb an lévő nyom ás (p /,sb ) a pórusnyom ás alá. A 4. ábrán az lá t­ szik, hogy AB’C’ görbe értéke tetszőlegesen vá­ lasztható m élységben nagyobb, m int J I pórus­ nyom ás görbe értéke. i s b

különböző kötéskezdetű cem enttej közül a III. jelű a legrövidebb (pl.: 3 óra), а II. jelű követi (pl.: 6 óra) és az I. jelű a leghosszabb (pl.: 9 óra) kötésidejű. Először а III. jelű cem enttej k erül В állapot­ ba. Ez idő a la tt а II. és I. jelűek A állapotban vannak. Ekkor a k ú tb an a nyom ás az ABB’B”C3 nyom ásgörbe szerint alakul. А III. jelű cem ent szilárdulása u tán k erül II. jelű cem enttej В ál­ lapotba. Ekkor az I. jelű cem enttej még mindig A állapotban van. A k ú t g y űrűsterében lévő nyom ás az АВВ’Сг nyom ásgörbe szerint alakul ekkor. M iután а II. és korábban m ár а III. jelű cem enttej megszi­ lárd u lt (négy ugyan nem érte el végső szilárd­ ságát), akkor k erü l az I. jelű cem enttej csak В állapotba. A k ú t gyűrűsterében a nyom ás akkor az A B Q nyom ásgörbe szerint alakul. A kútban lévő nyom ás így m indenkor és m indenhol na­ gyobb, m int a pórusnyom ás. 3.5. Kétlépcsős cem entezés a cem entezés utáni réteg alulegyensúlyozás kiküszöbölésére is al­ kalm as m ódszer (6. ábra). Az első lépcső cem entezése u tán В állapotban a gyű rű stér nyom ása az AB’BC nyom ásgörbe szerint változik (6. áb­ ra). A m ásodik lépcső cem entezését az első lép-

3.4. A z alkalm azott iszap sűrűségéből adódó hidrosztatikus nyomásgörbe és a pórusnyom ás görbe am ennyiben hosszan közel van egym ás­ hoz — kicsi az eltérés adott m élységben a két nyom ás között — előfordulhat, hogy három k ü ­ lönböző kötéskezdetű cem en ttejet kell alkal­ m azni (5. ábra). Cem entelhelyezés u tán közvet­ len (A állapot) a nyom ás az ABE vonal szerint alakul a k ú t gyűrűsterében (5. ábra). A három

NYOMAS

6. s z á m ú ábra. K étlép cső s c e m e n te z é s s e l a r é te g ta r­ ta lo m k ú t b a á ra m lá s a m eg a k a d á ly o zh a tó .

5. s z á m ú ábra. H á r o m k ü lö n b ö z ő (I.), (II), (III.) k ö ­ té s r e n d s z e r ű c e m e n tte j a lk a lm a z á s á v a l a k ú t a lú lellen sú lyo zá s e lk e rü lh e tő .

cső m egszilárdulása u tán kezdjük. A második lépcső cem entezését követő szilárdulás közben (II. lépcső В állapotba) a nyom ás a k ú t gyűrűs­ teréb en az ABC’ görbe szerint alakul. A kút gyűrűsterében lévő nyom ás az első és a második lépcső cem entezése alatt m indig nagyobb a pó­ rusnyom ásnál. 3.6. A keverővíz sűrűségének a növelésével is elkerülhető esetenként a pórusnyom ás alulegyensúlyozása (7. ábra). Cem entezés u tán В állapotban a kú tb an lévő nyom ás az ABC’ nyo­ m ásgörbe szerint alakul.

65

7. s z á m ú ábra. A k ú tb e i n d u lá s e lk e r ü lé s é n e k egy m egoldási lehetősége a k e v e r ő v íz s ű r ű s é g é n e k a n ö ­ velése.

görbe m etszi (adott m élységben annak a repesz­ tési nyom ás értékét a hidrosztatikus nyomás (р/мв) m eghaladja), akkor folyadékveszteség­ gel kell szám olnunk. Elhelyezés közben a k útban kialakuló nyom ást a folyadékáram lási nyo­ m ásveszteséggel még növelni kell. A veszteség elkerülésére a következő m egoldásokat hasz­ nálják: 4.1. Kétlépcsős cem entezésnél az A B E nyom ás­ görbének BE szakaszát két részre bontjuk (8. ábra). Első lépcsőben az iszapsűrűségből adódó nyom áshoz (AB) adott m élységben a BE-görbe által m eghatározott érték adódik. Második lép­ csőnél az iszap sűrűségéből adódó nyom ást (AB’) a B ’E ’ görbe által m eghatározott cem ent­ tej sűrűségből adódó nyom ás növeli. M indkét cem entezési lépcsőnél a k ú t gyűrűsterében lévő nyom ás kisebb, m int a repesztési nyomás. 4.2. A z egylépcsőben használt kétfajta, egy k ö n n y ített és egy n em kö n n yített sűrűségű ce­ m en ttejjel a folyadékveszteséget elkerülhetjük esetenként (9. ábra). A nagyobb sűrűségű II. cem enttej és a kisebb sűrűségű I. cem enttej el­ helyezése u tán a kútban az A állapot idején a nyom ás az ABB’E nyom ásgörbe szerint alakul. Az így jelzett nyom ásértékek nem haladják meg a repesztési nyom ást.

4. lépés: Tervezésnél a folyadékveszteséget az ABE nyom ásgörbe és a GF repesztési nyom ásgörbe (1. ábra) egymáshoz viszonyított helyzete alap­ ján vizsgálhatjuk és ellenőrizhetjük. A repesztési nyom ásgörbét közelíthetjük egyenessel, de ism ert területen a tényleges érté­ keket tartalm azó — jellegében a pórusnyom ás vonalhoz hasonló — repesztési nyom ásgörbével szám olhatunk. A m ennyiben a GF repesztési nyom ásgörbét a közvetlen cem entezés utáni (A állapot) nyom ás alakulást m utató ABE hidrosztatikus nyom ás-

9. s z á m ú ábra. K é t k ü lö n b ö z ő sű r ű sé g ű c e m e n tt e j a lk a lm a z á sa jó m ego ldá s a veszteség elkerülésére.

8. s z á m ú ábra. K étlépcső s c e m e n te zé s se l a veszteség elke rü lhető .

66

A z ism ertetett tervezés feltételei a) pontos lyukbőség ism erete, b) a kúthőm érséklet ism erete legalább a kúttalpon, valam int az egyes cem enttej szaka­ szok alján és tetején. c) a pórüsnyom ás ism erete folyam atosan, vagy diszkrét értékekkel, d) a c) feltétel hiányában a pórusnyom ás be­ csült értéke szükséges, e) a repesztési nyom ás ism erete folyamatos, vagy diszkrét értékekkel, f) az e) feltétel hiányában a repesztési nyomás becsült értéke szükséges.

ELEM ZÉS Az ism ertetett cem entezési megoldásokon túl term észetesen más módon is kiküszöbölhetők a cem entezési nehézségek (3). Például folyadék­ veszteség esetén a tömedékelő anyagok haszná­ lata igen elterjedt (2 ). A cementezés összetett m űvelet. A lejátszódó folyam atok nehezen modellezhetők. Nem mond ellent a leírtaknak az sem, ha az ism ertetett tervezési eljárás szerint a rétegcem entezés köz­ ben nem volt kiegyensúlyozva és mégsem áram ­ lott be a rétegtartalom a kútba. Elég a rra gon­ dolni, hogy a hom ogénnek vélt cem enttej való­ jában nem az. Ezen tú l a cem enttej különböző m élységben m ás-m ás hőhatásnak és nyom ásnak van kitéve. Egy biztosan kijelenthető. Am enynyiben az ism ertetett tervezéssel a kútbeindulás lehetőségét elvileg is kizárjuk, nem következ­ het be a rétegtartalom kútbaáram lása cem entszilárdulás közben sem. Ez nem kis eredm ény. A Kőolajkutató V állalatnál 1980-ban a K öt— 1, és a Bike— 1. jelű kutak term előbéléscső oszlo­ painak a cementezése után következett be k ú t­ beindulás g yűrűstér oldalon. B ike—1. kútcem entezést az alábbiak szerint végezték: A kút talpm élysége: 1700 m. Az 5 V2 ” hü­ velyk átm érőjű termelőbéléscső oszlopot talpközeiig építették be. A k u tat átöblítették az ad­ dig is használt 1,36 kg 1—' sűrűségű iszappal. Rendellenesség nem volt. A cem entezést 26 750 kg (535 zsák) cem entből készített 1,83 kg 1—1 sűrűségű cem enttejjel végezték el. Tervezett cem entpalást tető 900 m m élyen volt. Az elhe­ lyező végnyomás 100 bar volt. Cementezés köz­ ben rendellenesség nem volt. A cementezés elvégzése után a cem entkötési idő alatt a gyűrűstéroldalon túlfolyás jelentke­ zett erősödő m értékben. A kút beindult. sV sV

NYOMA. S

10. s z á m ú ábra. A B ik e — 1 je lű k ú t cem e n te zé s e u tá n i állapot.

A k ú t lezárásáig hosszabb idő telt el. Lezárás után 1,6— 1,7 kg 1_ 1 sűrűségű iszap gyűrűstérbe ju ttatásáv al a kút term elését m egszüntették. A 10. ábrán vázoltuk a cementezés után ki­ alakult állapotot. A cem enttej elhelyezése után közvetlenül — A állapotban — a 186 bar nyo­ m ású rétegre 270 bar nyom ás hatott) a gyűrűs­ térben lévő iszap és cem enttej oszlop együttes nyomása). A cem enttej В állapotba jutásával az 1500 m éter m élységben lévő 186 bar nyom ású ré­ tegre 6 bar depreszió hatott. Nem szennyezett rétegnél ez is elegendő lehet a kút term elésbe állásához. A 100 bar elhelyező végnyomásból arra lehet következtetni, hogy a cem enttej a tervezett 900 m éter felett is kitöltötte a gyűrűs­ teret. A cem enttej felszínközeiig jött. Így В állapotban valójában nagyobb volt a rétegre ható depresszió. E lérhette a 30—40 bar értéket is. Ez m éginkább alátám asztja, hogy a kútbein­ dulás az adott helyzetben törvényszerű volt. A K öt—1. jelű k ú t termelőbéléscső oszlopának cem entezése a következők szerint történt: A 8 У2 ” hüvelyk átm érőjű, 3600 m éter mély lyukba 3568 m éterig építették be a 7 hüvelyk átm érőjű béléscsövet. Cementezést 10 000 kg (200 zsák) cem ent 3000 kg (60 zsák) kvarcliszt és 2250 kg (45 zsák) barit felhasználásával vé­ gezték. A keverővíz 30% NaCl-t és 0,4% borkő­ savat tartalm azott. A cem enttejnek terv szerint 3000 m éterig kellett volna kitölteni a gyűrűsteret. A tényle­ ges állapotot csak feltételezni tudjuk, m ert utánnyom ás közben 20 m 3 iszapveszteség volt. Az iszap sűrűsége 2,03 kg l -1, a cem enttej sűrűsége 2,12 kg l - 1 volt. Cem entkötési idő alatt a csőközön növekvő túlfolyás jelentkezett, em iatt lezárták, m ajd szakaszonként m egnyitot­ ták. Egy-egy m egnyitáskor 200—4000 1 iszap jö tt ki. Műszaki perforálást végeztek 3100 m éter mélyen, ö b lítést nem tudtak létesíteni, csak folyadékelnyelés volt. A 3000 m m élyen létesí­ te tt m űszaki perforáción keresztül sem sikerült öblítést létesíteni. A kutat m egölték a béléscsővön és a gyűrűstéren besajtolt iszappal. A cső­ fej szerelése után 3 y 2 hüvelyk átm érőjű fúrórudat beszedték és 10 000 kg (200 zsák) cement, 3000 kg (60 zsák) kvarcliszt és 2250 kg (45 zsák) b arit felhasználásával nyomásos cem entdugót helyeztek el. Ezek után folytatták a fúrást. A kútba ju tta to tt folyadékok sűrűségének el­ m életileg ellensúlyozni kellett volna a kútban lévő tároló nyom ását. A 3360 m éter m élyen lévő tárolótetőnél a rétegnyom ás 650 bar. A cement­ tej benyom ása u tán a 7”— 8 7 2 ” gyűrűstérben az iszaposzlop és a cem enttej hidrosztatikus nyo­ m ása ugyanebben a m élységben 672 bar. (11. ábra). A m ennyiben a cem enttej szilárdulása közben is „hagyom ányos” folyadékként visel­ kedne 22 bar túlnyom ás m ellett a kútbeindulás nem következett volna be. A cem enttej szilárdu­ lása közben — а В állapotban — szám ításunk szerint a tároló 13 bar depressziót kapott. A kútbeindulás így m ár m egm agyarázható. Bár évek telnek el anélkül, hogy a Köt—1 és

67

S W 7'

11. s z á m ú ábra. A K ö t — 1 j e l ű k ú t ce m e n te zé s e u t á n i állapot.

Bike— 1 jelű kutaknál tapasztalt kútbeindulások bekövetkeznének, mégis a jelentős anyagi vesz­ teség m iatt a cem entezés többi tényezője között az ism ertetett tervezéssel, a kútban előálló nyo­ m ásokat is célszerű szám ítani. Azt gondoljuk, hogy a cem entezés utáni k útbeindulás kiküszöbölésére az ism ertetett eljárás megfelelő. JA V A SLA TO K A hazai tervezési és cem entezési gyakorlat további jav ításáért a következőket javasoljuk: 1. A tervezést terjesszék ki a cem entezés és cem ent-szilárdulás közbeni nyom ásviszonyok szám ítására. 2. A tároló biztonságos elzárásához elegendő legrövidebb cem entpalástokat létesítsék csak. 3. A cem entezések m inőségét javítsák. A m i­ nőségjavítást két úton egyidőben célszerű végezni.

68

a) A nem zetközi gyakorlat jelenleg idehaza nem alkalm azott m ódszereinek, eszközei­ nek üzem szerű használatát meg kell való­ sítani. Ezen belül elsősorban megvalósí­ tásra aján lju k a következőket: — két (három) dugós cem entezés — iszap-cem ent elválasztó folyadék (vagy iszaplepény bontó) üzem szerű használata, — a cem enttej-elhelyezés folyam atának a jobb ellenőrzése és nagyobb m érvű szabályozása. b) A jelenleg használt anyagokat, eszközöket javasoljuk vizsgálni, elemezni- és tovább fejleszteni. Ezek közül a legfontosabbak: — az alapcem ent m inőségének összeha­ sonlítása a különböző m inőségű (API fokozatú) külföldi cem entekkel és ja ­ vaslattétel a különböző A PI fokozatú alapcem ent előállítására, vagy vásár­ lására, — adalékanyag-kutatást célszerű lenne növelni, vagy gyártási ism eret (know how) vásárlásával felgyorsítani ezen a terü leten a fejlődést, — az elkerülhetetlenül szükséges beru­ házásokra (pl.: cem entkeverő telep építés, agregátor és cem entszállító kocsi vásárlás stb.) m inél előbb javas­ latot lenne célszerű készíteni. Az ezen a terü lete n dolgozó hazai szakem be­ rek jó összefogással sokat tudnak ten n i a ce­ m entezések m inőségének javítása érdekében. A legjobb előm enetelt feltételezve is szükséges azonban m ás országok (elsősorban a KGST) ta ­ pasztalatait felhasználni. A feladatok megfelelő m egoldásához feltehetően új beruházások is szükségessé válnak. IR O D A LO M [1] D. C. L e v i n e —E. W . T h o m a s —H. P. B e z n e r —G. C. T olle: H ow to p re v e n t a n n u la r g as flo w fo llo w in g c e m e n tin g o p e ra tio n s. W o rld O il (85— 94), 1980. o k tó b e r. [2] Dr. A ll iq u a n d e r Ö dön : R o ta ri fú r á s (396—428) M ű sz a k i K ö n y v k ia d ó , B u d a p e st 1968. [3] P re sto n L. M o o r e — D w i g h t K. S m i t h : D rillin g P ra c tic e s M a n u a l (400—448). P e tro le u m P u b ­ lish in g Co., T u lsa 1974.