Введение к работе
Актуальность темы исследований. Освоение нефтегазовых месторождений Крайнего Севера и шельфа арктических морей России представляет значительные трудности из-за сложных геокриологических условий строительства скважин. Мощность многолетнемерзлых пород (ММП) достигает 500 м, температура - минус 6 С. Толща ММП представлена в основном мерзлым песчаником и содержит талые водоносные и неводоносные прослои. Температура в межмерзлотяых таликах близка к "нулевой".
Практика показывает, что традиционно применяемые технологии строительства скважин в условиях ММП не в полной мере обеспечивают повышение качества разобщения пластов и надежность конструкции скважин, о чем свидетельствуют интенсивные газопроявления, потеря продольной устойчивости И смятие колонн при проседании и обратном промерзании пород и жидкостей, оставленных в заколонном и межколонном пространстве. Как правило, указанные осложнения являются следствием использования низкоактивных тампонажних цементов, которые даже в сочетании с ускорителями схватывания не обеспечивают твердения и заданного набора прочности в условиях мерзлоты. Попытка использования т.н. "тепловых" методов интенсификации твердения приводит к еще более опасным последствиям - возрастанию водоотстоя в результате растепления ММП и деструкции цементного камня вследствии возникшего массопереноса в кольцевом пространстве.
В результате научно-технического анализа всех аспектов цементирования
4 скважин сделан вывод о том, что условиям ММП наиболее полно отвечают
арктические гипсоцеменгаые тампонажные смеси зарубежных фирм, которые
не требуют дополнительного подогрева жидкости затворения и "дродавки".
Однако они также не могут эффективно использоваться в условиях
геокриологического разреза месторождений России из-за повышенного
водоотстоя-усадки раствора (при В/Ц = 0,38) и низкой водостойкости камня,
приводящей к его разрушению в водонасыщенных зонах.
Цель работы. Разработка и совершенствование составов и технологии приготовления тампонажних материалов на основе смешанного вяжущего, обеспечивающих повышение качества разобщения пластов в арктических скважинах.
Основные задачи.
-
Провести анализ осложнений и причин некачественного крепления скважин в сложных геокриологических условиях Крайнего Севера.
-
Исследовать свойства арктических гкпсоцементных смесей зарубежных фирм и определить основные теоретические предпосылки улучшения их свойств.
-
Установить закономерности процессов гидратации в системах алюминатов кальция и полугидрата гипса при пониженных температурах.
-
Показать практическую применимость развиваемых научных представлений к разработке тампонажных материалов на основе смешанных вяжущих.
5 5. Организовать выпуск, провести опытно-промышленные испытания и разработать инструкцию по применению арктического цемента. Научная новизна.
-
Установлены факторы, обеспечивающие получение гипсоцементных тампонажных композиций со стабильными свойствами.
-
Выявлены закономерности процессов гидратации в системах алюминатов кальция и полугидрата гипса при пониженных температурах. С точки зрения теории гомогенного и гетерогенного зародышеобразования уточнен механизм гидратации полугидрата гипса.
-
Раскрыт механизм и предложены пути компенсации водоотделения -усадки раствора и получения на основе гипсоцементных смесей безусадочного камня с повышенной водостойкостью.
Практическая ценность и реализация работы в промышленности. На основании результатов теоретических, экспериментальных и промысловых исследований разработаны:
принципы повышения структурной долговечности гипсоцементных тампонажных композиций;
составы и технология приготовления водостойких безусадочных гипсоцементных тампонажных композиций с использованием в качестве модификаторов глиноземистого шлака и гидрокарбоалюмината кальция, вступающих во взаимодействие с гипсом с образованием эттрингита;
составы тампонажных композиций: пониженной плотности, для прове-
дєнйя водоизояяционяых работ и перекрытия продуктивной толщи пласта.
На основании опытно-промышленных испытаний на БГКМ разработана "Инструкция по применению тампонажного цемента для арктических условий (Аркцемент)". "Аркцемент" включен в рабочие проекты на строительство разведочных скважин Уренгойского и Ямсовейского месторождений.
Основные защищаемые положения.
-
Результаты исследования арктических гипсоцементных смесей зарубежных фирм, их преимущества и недостатки.
-
Закономерности процессов гидратации в системах алюминатов кальция и полугидрата гипса при пониженных температурах.
-
Механизм и пути компенсации водоотделения - усадки раствора и получения на основе гипсоцементных смесей безусадочного камня с повышенной водостойкостью.
-
Составы и технология приготовления арктических водостойких безусадочных гипсоцементных смесей и составы тампонажных композиций: пониженной плотности, водоизоляционных, с кислоторастворимым компонентом -для перекрытия продуктивной толщи пласта.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались на Международной научно-методической конференции "Проблемы подготовки кадров для строительства и восстановления скважин на месторождениях Западной Сибири" (Тюмень, 1996), Международной научно-практической конференцик "Ресурсосберегающие технологии в области использова-
7 ния природного газа" (Тюмень, 1996), Всероссийской научно-практической конференции "Экологические проблемы и решение задач по длительной сохранности недр и окружающей среды..." (Тюмень, 1997), XVI Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (С.-Петербург, 1998), Ш Всероссийской научной конференции "Фундаментальные проблемы нефти и газа" (Москва, 1999), III Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России "Новые технологии в газовой промышленности" (Москва, 1999), IV Международной конференции "Освоение шельфа арктических морей" (С.-Петербург, 1999), Международной конференции "Долговечность и защита конструкций от коррозии" (Москва, 1999), академических чтениях "Развитие теории и технологии в области силикатных и гипсовых материалов" и III научно-практической конференции молодых учёных, аспирантов и докторантов "Строительство - формирование среды жизнедеятельности" (Москва, 2000), II съезде российского керамического общества и научно-практической конференции (С.-Петербург, 2000).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 19 научных работах, в т.ч. 1 научно-техническом обзоре, 9 статьях, 7 тезисах и 2 патентах РФ на изобретения.
Объём и структура работы.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников, включающих 87 наименований, и 3 приложений. Объём работы 205 стр., в т.ч. 33 рис. и 24 табл.