Технология цементирования обсадных колонн обратной циркуляцией

Министерство образования и науки Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
В. Ф. Черныш 
 
 
 
 
ТЕХНОЛОГИЯ  ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ  
ОБСАДНЫХ  КОЛОНН  
ОБРАТНОЙ  ЦИРКУЛЯЦИЕЙ 
 
 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Красноярск 
СФУ 
2016 

УДК 622.245.42 
ББК 33.131.041-51 
Ч-497 
 
 
Рецензенты: 
В. В. Нескоромных, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Технология и техника разведки МПИ» Сибирского федерального университета; 
Я. М. Курбанов, доктор технических наук, профессор, директор ЗападноСибирского научно-исследовательского и проектного института технологий 
глубокого бурения (ЗапСибБурНИПИ), г. Тюмень 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Черныш, В. Ф. 
Ч-497 
 
Технология цементирования обсадных колонн обратной циркуляцией : монография / В. Ф. Черныш. – Красноярск : Сиб. федер.  
ун-т, 2016. – 164 с. 
 
 
ISBN 978-5-7638-3442-0 
 
 
В монографии приведен обширный фактический материал по цементированию способом обратной циркуляцией из отечественного и зарубежного 
опыта и собственной практики автора. Показан ряд особенностей данного 
способа. Даны рекомендации и технические решения, направленные на совершенствование и расширение области применения способа обратного цементирования. 
Предназначена 
для 
студентов, 
молодых 
ученых 
и 
инженеровтехнологов. 
 
 
Электронный вариант издания см.: 
http://catalog.sfu-kras.ru 
УДК 622.245.42 
ББК 33.131.041-51 
 
 
 
ISBN 978-5-7638-3442-0 
© Сибирский федеральный университет, 2016 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение ........................................................................................................................ 4 

1. Опыт цементирования  обратной циркуляцией ..................................................... 6 

2. Постановка задач .................................................................................................... 19 

3. О методе исследований  обратного цементирования .......................................... 22 

4. Исследования и развитие способа  обратного цементирования ........................ 30 
4.1. Транспортный путь тампонажного раствора ................................................ 30 
4.2. Гидродинамическое давление  на забой скважины ..................................... 31 
4.3. Прогрев тампонажного раствора ................................................................... 34 
4.4. Энергоёмкость способов цементирования .................................................... 42 
4.5. Эффект свободного «полёта»  тампонажного раствора  на стадии 
безнапорного движения ......................................................................................... 46 
4.6. Полнота замещения бурового раствора  тампонажным .............................. 47 
4.7. Адгезионные свойства тампонажного  раствора .......................................... 66 
4.8. Роль вязкости тампонажного раствора ......................................................... 69 

5. Выбор объекта и его подготовка ........................................................................... 71 

6. Режим цементирования .......................................................................................... 77 

7. Методы контроля .................................................................................................... 91 
7.1. Объёмный метод .............................................................................................. 92 
7.2. Метод «меченой» жидкости ........................................................................... 93 
7.3. Радиоактивный метод ..................................................................................... 96 
7.4. Метод резистивеметрии .................................................................................. 97 
7.5. Метод гидростатического давления .............................................................. 98 
7.6. Метод применения управляющих  и запорных устройств .......................... 98 

8. Специальные способы  цементирования ............................................................ 112 
8.1. Схема комбинированного цементирования ................................................ 112 
8.2. Цементирование на «равновесии» ............................................................... 116 
8.3.Технология цементирования с УЦК ............................................................. 118 

9. Заключительные работы ...................................................................................... 134 

10. Анализ практики крепления  разведочных скважин на ЮТЗ ........................ 135 

Заключение ................................................................................................................ 149 

Список литературы ................................................................................................... 152 
 

Введение 

Цементирование обсадной колонны в скважине – одна из самых 
сложных технологических операций во всем цикле её строительства. 
В то же время оно является одной из важнейших и ответственных 
операций, так как завершает главные этапы по сооружению скважины. От детальной проработки плана этой технологической операции, 
учитывающего все факторы, влияющие на качество цементирования, 
а также от тщательного выполнения этого плана во многом зависит 
дальнейшая судьба скважины. 
В течение всего времени развития нефтяной промышленности 
применение цементирования предполагало решение всё новых сложных задач. Увеличивалась глубина скважин, росло многообразие  
горно-технологических условий; крайних пределов достигали дебиты 
скважин и пластовые давления. Возникновением новых задач сопровождается выход с нефтегазопоисковым и эксплуатационным бурением в труднодоступные районы и территории с жесткими климатическими условиями. 
В настоящее время преобладающим способом цементирования 
обсадных колонн является так называемый прямой способ. Иногда 
инженеры обращались к обратному способу цементирования, который привлекает своей простотой и некоторыми явными преимуществами. За последние годы этот способ стал более разработанным, а в 
некоторых случаях – единственно возможным. Как любой способ, он 
имеет ограниченную область применения. Возникающие ошибки в 
выборе объекта применения обратной циркуляции и недостатки в 
практической реализации технологии, приводящие к недостаточному 
уровню качества цементирования, возвращали к применению хорошо 
освоенного, хотя, возможно, и еще менее эффективного прямого способа. 
В технологии цементирования имеет место явный и трудно объяснимый парадокс: чтобы зацементировать обсадную колонну на 
всем интервале её затрубного пространства, тампонажный раствор 

путем применения большого количества дорогой и сложной техники, 
требующейся для обеспечения больших расходов и давлений, прокачивают с устья через колонну до забоя и вновь возвращают на устье, 
тогда как обратной циркуляцией эту операцию можно выполнить в 
два раза быстрее и весьма ограниченным количеством технических 
средств. 
Мысль об этом техническом парадоксе у автора настоящей работы возникла давно. В своей практике автор применял этот способ 
работы с 1966 г., когда обратным способом не очень успешно была 
зацементирована промежуточная колонна в скважине – первооткрывательнице таймырского газа на Мессояхском месторождении. 
В последующем с различной степенью успешности этот способ применялся нами на многих других разведочных площадях. Для повышения его надежности был изучен опыт других инженеров и зарубежный опыт. 
У способа цементирования обратной циркуляцией со временем 
обнаруживалось всё больше преимуществ перед прямым способом, 
всё больше специалистов стали заниматься его разработкой. Это привело к появлению множества технических решений. Например, только в области контроля появилось около сотни различных технических 
решений, на которые выданы патенты. 
Список патентной литературы в области обратного цементирования размещен в настоящей книге исключительно в хронологическом порядке. Это делает возможным проследить темп и характер 
развития рассматриваемого способа цементирования и увлечь читателя, пригласить его к техническому творчеству, ибо крупные технические решения появляются при большом количестве участников. 
Автор выражает искреннюю благодарность своим коллегам и 
друзьям, ветеранам геолого-разведочных работ в Красноярском крае, 
заслуженному геологу РФ, инженеру Е. А. Гершкарону и инженеру 
В. В. Шокалюку, сотрудникам Красноярского научно-исследовательского и проектного института нефти, за многочисленные замечания и 
предложения, которые были учтены при редактировании монографии. 

1. Опыт цементирования  
обратной циркуляцией 

История создания и развития обратного способа цементирования 
насчитывает много десяков лет. Его возраст сопоставим с возрастом 
нефтяной промышленности. Первый промышленный опыт обратного 
цементирования относится к 1920-м гг. Этот способ был применен по 
предложению инженера Кринского в Баку. Способ первоначально 
нашел некоторое распространение, пока глубина скважин была недостаточно большой, а диаметры обсадных колонн, наоборот, большими. Сигналом окончания процесса цементирования являлось понижение конечного давления на цементировочной головке в момент 
выхода тампонажного раствора в башмак обсадной колонны. Однако 
с ростом глубин скважин и уменьшением диаметров обсадных колонн 
изменение давления в конце цементирования явилось неубедительным фактором для принятия решения об окончании цементирования. 
Внутри обсадных колонн стали оставаться большие цементные стаканы. 
Так, на смену широко применявшегося обратного способа цементирования пришел известный прямой, авторство которого относят 
Перкинсу. 
Одна из первых публикаций об обратном способе цементирования появилась в 1940 г. – книга М. А. Завацкого «Крепление нефтяных скважин» [31]. Эта первая публикация заслуживает того, чтобы 
процитировать ту её часть, которая посвящена обратному способу 
цементирования: 
«обратная цементировка 
Под названием обратной цементировки известен вид её, когда 
цементный раствор заливается в затрубное пространство непосредственно сверху и проталкивается на любую глубину своим собственным 
весом. 
Практически это осуществляется следующим образом. После 
спуска колонны в скважину, в процессе промывки её вместо глини

стого раствора в колонну накачивают воду и ею выдавливают глинистый раствор за колонну. Давление насоса, отмеченное манометром 
на головке колонны, начинает расти, и когда оно поднимается на  
8−10 атмосфер против нормального давления, бывшего до начала закачивания в колонну воды, закачку последней прекращают, закрывают выкидной кран на головке и скважина считается подготовленной к 
закачке цемента. При этом виде цементировки вокруг колонны устанавливается специальная обшивка из досок в виде плотного ящика, 
куда сверху и качается цементный раствор. Начав закачку цементного 
раствора, одновременно приоткрывают кран на головке колонны, дают выход для жидкости, что вызывает в скважине обратную циркуляцию: глинистый раствор из затрубного пространства поступает в колонну, а затрубное пространство сверху заполняется непрерывно  
поступающим цементным раствором. 
Скорость циркуляции, а следовательно, и скорость цементировки регулируется степенью открытия крана на головке и может быть 
доведена до большей величины. 
Когда залито расчетное количество цемента, вслед за ним за колонну продолжают качать глинистый раствор. 
В начале закачки цемента давление на головке колонны снижается (при одной и той же величине открытия крана), затем оно начинает расти и вследствие того, что за колонной глинистый раствор заменяется более тяжелым цементным раствором, достигает максимальной величины, когда залито за трубами все расчетное количество 
цемента; на этой величине давление держится, пока цемент не начнет 
поступать через башмак в колонну. После этого давление на головке 
начинает снижаться, чем и определяется момент окончания цементировки. 
Слабой стороной данного вида цементировки является затруднительность определения конца операции. Имеется один только признак, по которому можно судить о конце операции цементировки, это 
характер изменения давления на головке колонны. 
Положительной стороной цементировки является возможность 
заполнения затрубного пространства цементным раствором на большую высоту без применения высоких давлений...» 
В этом отрывке из книги М. А. Завацкого сказано практически 
всё самое главное об обратном способе цементирования: отмечены и 
сущность, и преимущества, и недостатки, имеющие место и в современной технологии. Однако недостатки были столь существенны,  
что после опыта 20-х гг. обратный способ прекратили применять  

до 60-х гг. А преимущества обратного способа перед прямым всё же 
остаются столь велики, что к нему вернулись в 60-х гг. прошлого века 
и продолжают применять и совершенствовать до сегодняшнего дня. 
Проблемы, стоящие перед технологией обратного способа цементирования, оказались так сложны, что данные М. А. Завацким 
оценки не потеряли своей значимости и в настоящее время. 
В нашей работе мы попытаемся сделать обзор практического 
опыта применения обратного способа цементирования, использовав 
наиболее информативные источники опубликованной литературы по 
этому вопросу. Список этой литературы приведен в конце книги. 
В большинстве случаев практического применения обратной 
циркуляции при цементировании обсадных колонн пластовые давления как продуктивных, так и непродуктивных пластов были значительно ниже, чем фактические давления, возникавшие при цементировании прямой циркуляцией. Обратная циркуляция применялась с 
целью снизить избыточное давление во время цементирования на 
пласты во вскрытой толще. Имеется в виду вся сумма давлений: статического столба растворов, находящихся в затрубном пространстве в 
конце цементирования, т. е. гидростатического давления, и гидродинамического давления, возникающего вследствие движения жидкостей в том же канале в процессе завершения операции по цементированию. Статическое давление для одних и тех же интервалов цементирования мало зависит от схемы циркуляции. Гидродинамическое 
давление будет различным в зависимости от направления циркуляции 
вследствие того, что оно, при прочих равных показателях, применяемых в расчет, зависит от площади сечения канала, по которому осуществляется поток жидкости. Внутритрубная площадь сечения большинства обсадных колонн значительно превосходит площадь сечения 
заколонного пространства. Поэтому вся сумма давлений, взятая относительно забоя при цементировании прямой циркуляцией, больше, 
чем при обратной циркуляци, о чем подробнее будет сказано ниже. 
Именно этим руководствовались при выборе способа цементирования на месторождении Хасси-Мессауд в Алжире [101]. К цементированию методом обратной циркуляции здесь вынуждены были 
прибегнуть в связи с тем, что обычная технология в сложных условиях месторождения не давала положительного результата. Одна из 
трудностей сводилась к следующему: интервал 3200–3350 м является 
фундаментом триасовых отложений из красных пластинчатых сланцев, имеющих весьма пониженную прочность. Красные пластинчатые 
сланцы не могут противостоять давлению, создаваемому тяжелым 

буровым раствором, и поглощают его. Их можно зацементировать, но 
это очень сложная и дорогая операция, не всегда дающая нужный эффект. 
Особенности геологического строения разреза приводили к тому, что цементирование 178 мм эксплуатационной колонны, спускаемой на глубину 3350 м и перекрывающей открытый ствол в интервале 
2300–3350 м, не давало положительного эффекта. Зацементированными оказывались только красные триасовые сланцы, остальная часть 
колонны была незакрепленной и подвергалась коррозии пластовыми 
водами и возможности коллапса высокого давления против зоны 
хлор-кальциевых вод. Для получения высокого качества требовалось 
выполнить условие − обеспечить турбулентный поток жидкостей во 
время цементирования, что считалось необходимым для наиболее 
полного вытеснения бурового раствора из затрубного пространства. 
При использовании повышенной плотности тампонажного раствора и 
прокачивании его в турбулентном режиме прямой циркуляцией, на 
слабые сланцевые породы создается еще большее давление, приводящее к поглощению тампонажного раствора. 
Этих трудностей удалось избежать, применив обратную циркуляцию при цементировании. 
По нескольким результатам цементировок было установлено, 
что только закачкой тампонажного раствора на скоростях, превышающих образование турбулентного потока, удается сократить зону 
смешения бурового и тампонажного растворов. Хороший результат 
по этому способу можно получить, обеспечив непрерывный процесс 
закачки тампонажного раствора в затрубное пространство. 
В результате применения обратной циркуляции была достигнута 
основная цель − снижено избыточное давление (гидродинамическое) 
на слабые породы на глубине 3300 м (табл. 1). 
Приведенные данные по цементированию скважин №№ 33, 37, 
77 способом обратной циркуляции и скважины № 73 способом прямой циркуляции говорят в пользу первого способа, так как значительно снижается гидродинамическое давление на призабойную зону. 
Кроме того, сокращается время цементирования; процесс осуществляется просто. 
Из опыта цементирования на месторождении Северный ХассиМессауд следует, что тщательный учет геолого-технических условий 
дает положительный эффект при выборе способа цементирования, 
что разработка вопросов режима цементирования является важным 
звеном во всей технологии. Этот опыт свидетельствует о том, что в 

арсенале зарубежных фирм также нет простых и надежных методов 
контроля за процессом цементирования обратной циркуляцией и что 
это ограничивает распространение способа. 

Таблица 1 
Параметры при цементировании скважины 

Расход, 
л/с 
Полное 
давление на 
насосах, 
кгс/см2 

Давление в 
затрубном 
пространстве, 
кгс/см2 

Давление в 
трубах, 
кгс/см2 

Величина снижения 
гидродинамического 
давления на слабые 
породы, кгс/см2 

10,9 
13,6 
17,1 
22,0 
23,8 
27,2 
30,3 

38,8 
48,1 
61,5 
84,4 
108,5 
130,5 
169,0 

30,0 
38,0 
47,8 
66,8 
85,0 
100,0 
130,0 

8,8 
10,1 
13,7 
17,6 
23,5 
30,5 
39,0 

21,2 
27,9 
34,1 
49,2 
61,5 
69,5 
91,0 

 
Планируя применение обратной циркуляции, зарубежные специалисты исходили из того, что высокая степень замещения бурового 
раствора тампонажным обеспечивается при турбулентном режиме потока в затрубном пространстве независимо от направления циркуляции. И практика цементирования подтвердила это положение. 
С 1960 г. в опытном порядке, а затем в больших объемах цементирование обсадных колонн способом обратной циркуляции осуществлялось на месторождении Хаян-Корт [16]. Цементированию этим 
способом подвергались главным образом промежуточные колонны 
диаметром 168, 219, 245, 324 мм. Месторождение характеризуется 
сложными геологическими условиями бурения и крепления скважин. 
В большей части разреза бурить можно было только при строго нормированной плотности глинистого раствора, незначительные колебания которой вызывали или поглощение раствора, или газонефтепроявления. Обратная циркуляция применялась во избежание создания 
больших избыточных давлений на пласты. Наиболее надежным способом контроля за движением тампонажного раствора в затрубном 
пространстве на первом этапе освоения этой технологии цементирования был признан способ активирования первых порций цементного 
раствора изотопами. 
При цементировании скважин (например, № 37) способом обратной циркуляции отмечена одна особенность: несмотря на использование растворов различной плотности (плотности глинистого и