Содержание к диссертации
Введение
1. СУЩЕСТВУЮЩИЕ ПРИНЦИПЫ ВЫБОРА ТИПА ТАМПОНАЖНОИ
СМЕСИ И ЕЕ РЕЦЕПТУРЫ . 9
1.1. Геолого-физическая и технико-технологическая информация, необходимая для подбора рецептур тампонажних смесей 9
1.2. Принципы выбора параметров тампонажнои системы 14
1.3. Существующие типы тампонажных растворов и области их применения 20
1.4. Принципы подбора долевого состава тампонажных растворов по результатам лабораторного анализа и априорной информации 27
1.5. Цели и задачи исследования 30
2. ИДЕНТИФИКАЦИЯ РЕЦЕПТУР ТАМПОНАЖНЫХ РАСТВОРОВ НА
ОСНОВЕ АПРИОРНОЙ ИНФОРМАЦИИ 31
2.1. Возможности использования модельных представлений при подборе рецептур 32
2.2. Принципы рационального использования результатов лабораторных измерений показателей свойств тампонажных растворов 41
2.3. Обоснование эффективности применения многомерного вероятностного классификатора для идентификации рецептур по их показателям свойств 46
2.4. Методика идентификации рецептур тампонажных растворов по комплексу показателей свойств 58
3. НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
ТАМПОНАЖНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ХИМИЧЕСКИХ РЕАГЕНТОВ В ОТРАСЛИ 65
3.1. Построение процедур идентификации рецептур и их проверка для конкретных смесей 66
3.2. Нормирование расхода материалов для приготовления тампонажних растворов 97
3.3. Обоснование расчета потребности в материалах и химических реагентах для цементирования скважин 116
3.4. Минимизация совокупных затрат на тампонажные материалы, химические реагенты и цементировочную технику 125
4. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ РАЗРАБОТКИ 132
4.1. Эффективность от идентификации рецептур тампонажних систем 132
4.2. Эффективность от применения методики нормирования расхода материалов на цементирование 134
4.3. Эффективность от комплексного выбора техники и технологии цементирования 136
ОСНОВВЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 138
ЛИТЕРАТУРА 140
ПРИЛОЖЕНИЯ 150
- Геолого-физическая и технико-технологическая информация, необходимая для подбора рецептур тампонажних смесей
- Возможности использования модельных представлений при подборе рецептур
- Построение процедур идентификации рецептур и их проверка для конкретных смесей
- Эффективность от идентификации рецептур тампонажних систем
Введение к работе
Советский Союз является страной, занимающей ведущее положение в развитии мировой добычи нефти и газа. Партия и правительство уделяют большое внимание дальнейшему развитию отрасли потому, что углеводородное топливо в ближайшее десятилетие остается одним из важнейших источников энергии.
ХХУІ съезд КПСС поставил перед нефтяной промышленностью задачу: обеспечить к 1985 году добычу нефти (включая газоконденсат) в объеме 630-645 млн.тонн, резко повыоив технико-экономические показатели буровых работ.
Повышение эффективности использования материальных и трудовых ресурсов и улучшение качества при строительстве скважин во многом зависит от соответствия технических средств и технологических приемов конкретным геолого-физическим и технико-технологическим условиям бурения.
Увеличение добычи нефти существенным образом зависит от освоения новых нефтегазоносных площадей. Успешность бурения, освоения и эксплуатации зависит и предопределяется качеством разобщения пластов. Установлено, что свойства тампонажной смеси оказывают решающее влияние на результаты цементирования.
Учитывая специфику процесса крепления, заключающуюся в кратковременности и неразрывности во времени каждой отдельной операции (спуск колонны, закачивание, продавливание тампонажного раствора), особую важность приобретает этап проектирования всего процесса цементирования.
К процессу цементирования в соответствии с общими целями крепления предъявляется ряд требований, которые количественно выражаются в виде ограничений на показатели свойств тампонажной смеси.
В этой связи вопросы выбора рецептуры тампонажних растворов, обеспечивающих заданные показатели свойств, являются актуальными.
Большая часть научных исследований, проведенных в области цементирования, содержит рекомендации по регламентированию численных значений показателей свойств и других управлявших воздействий направленных на обеспечение более благоприятных условий проведения процесса и гарантирующих создание надежной крепи. Однако воплощение их в практику осложняется из-за отсутствия возможности идентифицировать рецептуру тампонажного раствора, по всему комплексу признаков, число которых по мере совершенствования технологии увеличивается.
Подбор рецептур до настоящего времени идет по традиционному пути классических лабораторных экспериментов.
При этом подбор и контроль осуществляется только по трем-четы-рем показателям, обеспечение выбранных численных значений которых, безусловно, важно, но в настоящее время уже не является достаточным для дальнейшего улучшения результатов цементирования. Сам ре -зультат выбора долевого состава в большей степени зависит от опыта и квалификации специалиста, осуществляющего лабораторный анализ. Все это приводит к существенным затратам времени и средств; а получаемая информация систематически не накапливается и не используется в дальнейшем.
Вопросы выбора рецептуры тампонажной смеси в последнее время разрабатываются достаточно интенсивно [5,9,19,18,22,2з], ив этом направлении достигнуты определенные успехи, однако взаимосвязи между составом раствора и показателями его свойств выявлены не полностью. Большое количество научных и практических разработок в области тампонажних растворов повторяют друг друга из-за отсутствия обобщенных данных о проделанной работе и отсутствия единой формы хранения получаемой информации.
Отсутствие конкретной рецептуры на этапе проектирования строительства скважины не позволяет связать воедино вопросы нормирования материалов и проектирования процесса цементирования. Без положительного решения этих вопросов трудно осуществить процесс строительства оптимальным образом.
Нормирование материалов и химических реагентов на проведение процесса строительства тампонажной крепи должно учитывать конкретные горно-геологические, технико-технологические и экономические условия. Дня того, чтобы удовлетворить этим требованиям, нормирование должно быть расчетно-аналитическим, что позволит обоснованно определить необходимое количество материалов. В этом случае могут возникнуть две ситуации: завышение и занижение норм. В первом случав это приводит к прямому перерасходу материалов и снижению культуры производства. Во втором случае наблюдается кажущаяся экономия, так как процесс проведен таким образом, что сформировавшаяся крепь во многих случаях не обладает нужными показателями качества и надежности.
Отрыв вопросов нормирования от всей системы строительства скважин приводит к неправильному толкованию целей и задач нормирования, что, в конечном счете, не позволяет обоснованно планировать выпуск материалов и осуществить контроль за их экономным использованием.
Решение этих вопросов актуально для такого материалоемкого процесса как цементирование скважин, на реализацию которого ежегодно расходуется только тампонажного цемента 1400 тыс.тонн.
Целью данной работы является повышение эффективности использования материальных ресурсов, необходимых для проведения процесса цементирования, на основе методического подхода, позволяющего опре.- делить рецептуру тампонажной системы, обдадащей выбранным комплексом показателей свойств.
Для этого необходимо разработать принципы идентификации рецептур, обеспечивающих выбранные показатели и обосновать эффективность применения многомерного вероятностного классификатора. Необходимым этапом при этом является выбор плана и методики проведения экспериментов при создании информационных массивов для принятия решения на этапе определения рецептуры. Следующим этапом является создание методических основ построения процедур индентификации и их проверка для конкретных смесей, используемых в различных температурных условиях. Это создает предпосылки для разработки методического подхода к расчету потребности в материалах и химических реагентах для цементирования скважин.
Завершащим этапом является разработка принципов^позволяющих минимизировать совокупные затраты на ташюнажные материалы и химические реагенты, цементировочную технику.
В данной работе впервые предлагается методика идентификации рецептуры тампонажних растворов по комплексу показателей свойств. При анализе результатов предложено использовать результаты измерений без предварительного усреднения. Этот прием позволяет построить вероятностный классификатор с учетом разброса показателей свойств. В результате проведенных работ обоснован расчет потребности в материалах и химических реагентах для цементирования с использованием экономико-математических методов.
Результаты, полученные в диссертационной работе на основе современных достижений в области крепления скважин ^служат повышению эффективности использования материалов.
Цри составлении методических указаний РД 39-3-3II-79, РД 39-31-288-79, РД 39-31-287-79, РД 39-3-446-80, РД 39-3-482-80 использованы и вошли составной частью результаты проведенных исследований. Использование количественного метода идентификации рецептур с выбранными показателями свойств служат основой при нормировании материалов для цементирования.
Методика планирования экспериментов и принципы создания информационного массива могут быть использованы при паспортизации тампонажннх растворов и для хранения получаемой информации.
class1 СУЩЕСТВУЮЩИЕ ПРИНЦИПЫ ВЫБОРА ТИПА ТАМПОНАЖНОИ
СМЕСИ И ЕЕ РЕЦЕПТУРЫ . class1
Геолого-физическая и технико-технологическая информация, необходимая для подбора рецептур тампонажних смесей
Многообразие геолого-технических условий при бурении нефтяных и газовых скважин, рост глубин, вызвавший необходимость закачивания больших объемов тампонажных смесей в сжатые сроки, и повышение требований к качеству работ по креплению обусловили большой ассортимент вяжущих и реагентов. Это дает возможность практически для любых условий подобрать необходимый компонентный состав на основе имеющегося арсенала материалов.
В настоящее время тип тампонажной смеси выбирается на основании предавствующего опыта крепления скважин в аналогичных условиях. А.И.Булатовым, Д.Ф.Новохатским [29,80] была разработана классификация тампонажных материалов применительно к различным условиям. На её основе определяется вид тампонажного цемента.
Далее определяется среда затворения, проверяется необходимость применения регуляторов сроков схватывания и выбираются, если это необходимо; в случае необходимости выбирается понизитель водоотдачи; далее решается вопрос об использовании специальных добавок.
После выбора необходимых реагентов осуществляется опытное приготовление тампонажных растворов, в соответствии с ОСТ 39-051-77 проводятся их испытания. Сроки схватывания и время загустевания растворов определяются при динамической температуре и давлении (ожидаемых в скважине). Прочностные характеристики определяются при статической температуре.
В том случае, если лабораторные испытания не позволили удовлетворить выбранным требованиям, проводится корректировка содержания реагентов и затем проводят испытания. Нужно отметить, что этот метод проб и ошибок по существу является трудоемким творческим процессом, так многие реагенты обладают комплексным действием, и, изменение одного параметра в желаемом направлении, приводит к изменению значений других параметров, зачастую выводя их из допустимой области.
Можно считать установленным тот факт, что обеспечение качества крепления на этапе цементирования достигается за счет режимов течения жидкостей и выбранных показателей свойств при вытеснении тампонажного цемента в затрубное пространство с соблюдением требований, обеспечивающих отсутствие гидроразрывов, поглощений и других аварий и осложнений.
class2 ИДЕНТИФИКАЦИЯ РЕЦЕПТУР ТАМПОНАЖНЫХ РАСТВОРОВ НА
ОСНОВЕ АПРИОРНОЙ ИНФОРМАЦИИ class2
Возможности использования модельных представлений при подборе рецептур
Традиционно сложилось мнение, что для обоснованного выбора рецептуры тампонажной смеси необходимо уметь прогнозировать значения показателей свойств в зависимости от компонентного состава и внешних условий. Наиболее компактной формой.представления поведения системы является математическая модель. Модели для прогнозирования по компонентному составу выбранных показателей свойств были необходимы в первую очередь исследователям, разрабатывающим новые тампо-нажные системы и изучающим эффективность использования химических добавок с целью определения их оптимальных сочетаний [2,18,31,40, 49,56J.
Для изучения физико-химического действия реагентов на показатели свойств были успешно использованы методы планирования эксперимен тов, мощным толчком явился выпус соответствующих методических руководств [56,57].
При цементировании все чаще используются тампонажные цементы, обработанные химическими добавками, наблюдается отчетливая тенденция к переходу к многокомпонентным тампонажним смесям, обладающим полифункциональными возможностями. Однако с увеличением количества компонентов резко возрастает сложность понимания и описания механизма их воздействия на образование структуры и свойства тампонажного раствора.
Было предпринято несколько попыток создания теорий структуро-образования и построения на их основе расчетных моделей для определения технологических параметров. Наиболее известным является направление, развиваемое А.Ф.Полаком, О.П.Мчедловым-Петросяном. Например, предел прочности цементного камня оценивается через теоретическую прочность отдельных кристалликов, их сростков, количества этих сростков в единице объема. Следует признать бесспорно научный приоритет этого направления, однако при современном уровне изученности строения цементного камня, процессов структурообразования, нельзя использовать такой способ для проведения инженерных расчетов с достаточной точностью. Еще сложнее обстоит проблема обобщения модели на полиминеральные вяжущие вещества.
Создание теоретических моделей - необходимый этап в изучении механизмов образования тампонажного камня, на этом пути многое делается.
class3 НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
ТАМПОНАЖНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ХИМИЧЕСКИХ РЕАГЕНТОВ В ОТРАСЛИ class3
Построение процедур идентификации рецептур и их проверка для конкретных смесей
В начале возможность идентификации рецептуры с помощью многомерного вероятностного классификатора была осуществлена на основе Новороссийского портландцемента, при этом регулирование свойств производилось при помощи На2С03 , КМЦ, ССБ, глины [ij.
Глина является эффективным понизителем водоотдачи и используется для регулирования плотности раствора. Карбоксилметилцеллюло-за (КЩ) является понизителем водоотдачи и замедлителем сроков схватывания и твердения тампонажних растворов, кроме того, может снижать предельное напряжение сдвига, но обычно повышает вязкость. Кальцинированная сода ускоряет сроки схватывания, но одновременно приводит к загущению раствора (снижению растекаемости). ССБ и КССБ обычно используются как разжижители, но при этом снижают водоотдачу, замедляют сроки твердения [l7,I8].
Сбор необходимой информации был осуществлен в результате проведения (спланированного по латинскому квадрату) лабораторного исследования указанного портландцемента. Полученная информация приведена в табл.3.1. Все реагенты изменялись при проведении эксперимента на 5 уровнях, в соответствии с методикой идентификации уровни соответствуют классам по реагентам.
Эффективность от идентификации рецептур тампонажних систем
Предложенный метод идентификации отвечает всем тем требовани-.;ям, которые были поставлены при его разработке. Он может быть использован на этапе создания проекта на бурение скважины. Причем идентификация может быть осуществлена в каждой ситуации, для конкретных условий реализуется различного рода оптимизация. Экономическая эффективность может быть получена за счет того, что на этапе выбора тампонажной системы сравнение различных тампонажних растворов может быть произведено не по средним значениям концентраций используемых реагентов, а по конкретной рецептуре. При таком методе использование стоимостного критерия становится более корректным и обоснованным, что позволяет существенно повысить точность решений, получаемых при проектировании процессов цементирования.
При использовании предложенного подхода к идентификации рецептур появляется реальная возможность подбирать такие составы, которые
удовлетворяют большому количеству требований, наложенных на его показатели свойств, в этом случав создаются более благоприятные условия для проведения процесса. Требования к показателям свойств призваны обеспечить безаварийное проведение процесса цементирования и улучшить качество вытеснения. Поэтому метод идентификация является проводником новых технологических рекомендаций, позволяющих выбирать более строго тампонажные материалы и реагенты.
В настоящее время в нефтяной промышленности используется обширный ассортимент материалов. Часть материалов является дефицитными. Метод идентификации может быть использован для более рационального использования дефицитных материалов. В самом деле, если идентифицировать рецептуру на различных тампонажных цементах и реагентах, то получив несколько допустимых реагентов технолог может использовать эту информацию при выборе и распределении тампонажных материалов и химических реагентов.
При таком подходе можно добиться такой ситуации, когда дефицитные материалы можно будет использовать только в тех случаях, когда невозможно обойтись другими материалами.
Выше перечислены те преимущества, которые дает метод идентификации при его использовании на этапе проектирования процесса цементирования.
