Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ состояния изученности вопроса 8
1.1. Нарушения герметичности заколонного пространства 8
1.2. Способы восстановления герметичности заколонного пространства 13
1.3. Анализ составов для водоизоляции и восстановления герметичности заколонного пространства 18
ВЫВОДЫ по главе 1. Цель работы и задачи исследований
ГЛАВА 2. Разработка требований к составам для восстановления герметичности заколонного пространства скважин. методы исследований 35
2.1. Обоснование параметров герметизирующих составов 35
2.2. Основные требования, предъявляемые к гелеобразующим составам 40
2.3. Обоснование выбора сырьевых материалов 41
2.4. Механизм гелеобразования составов на основе СРШ 44
2.5. Обоснование рецептуры гелеобразующих составов 45
2.6. Методы исследований 48
2.6.1. Методика приготовления гелеобразующих составов 48
2.6.2. Методика определения времени гелеобразования 50
2.6.3. Методика определения свойств гелеобразующих составов 2.7. Разработка экспериментального стенда и методика его подготовки к проведению исследований 54
2.8. Методика исследований фильтрационных и герметизирующих свойств гелеобразующих составов 58
2.9. Методика определения характеристики искусственных кернов 59
ВЫВОДЫ по главе 2 64
ГЛАВА 3. Исследование влияния некоторых физико-химических факторов на свойства гелеобразующих составов 65
3.1. Исследование влияния дезинтеграторной обработки на свойства полученных герметизирующих составов на основе феррохромовых саморассыпающихся шлаков (СРШ) 66
3.2. Влияние добавки оксида кальция на свойства гелеобразующих составов 73
3.3. Влияние температуры на скорость гелеобразования 74
3.4. Влияние минерализации воды на время гелеобразова- 77
ния 3.5. Влияние концентрации исходных реагентов на время гелеобразования 78
3.6. Влияние концентрации исходных компонентов на реологические и механические свойства гелей 82
3.7. Методика планирования и математическая обработка экспери ментальных данных 87
ВЫВОДЫ по главе 3 92
ГЛАВА 4. Исследование герметизирующей способности гелеобразующих составов для восстановления герметичности заколонного пространства скважин 93
4.1. Исследование герметизирующей способности гелеобразующих составов на экспериментальном стенде 93
4.2. Исследование герметизирующей способности гелеобразующих составов на установке для исследования проницаемости керна (УИГЖ)
4.2.1. Исследование фильтрационных процессов с использованием гелеобразующих составов на основе СРШ
4.2.2. Исследование герметизирующей способности гелеобразующих составов на основе СРШ на УИПК
4.2.3. Исследование герметизирующей способности гелеобразующих составов при различных коэффициентах проницаемости образцов 108
4.2.4. Оценочные опыты герметизирующей способности гелеобразующих составов в песчаниках 113
4.3. Разработка нормативной документации и внедрение разрабо ток 115
4.3.1. Особенности геологического строения Уренгойского месторождения 115
4.3.2. Перспективы применения гелеобразующих составов 116
4.3.3. Проект технологического регламента 117
4.3.4. Рекомендуемая технология проведения работ по восстановлению герметичности заколонного пространства 122
ВЫВОДЫ по главе 4 128
Основные выводы 129
Библиография
- Анализ составов для водоизоляции и восстановления герметичности заколонного пространства
- Механизм гелеобразования составов на основе СРШ
- Влияние добавки оксида кальция на свойства гелеобразующих составов
- Исследование герметизирующей способности гелеобразующих составов на установке для исследования проницаемости керна (УИГЖ)
Анализ составов для водоизоляции и восстановления герметичности заколонного пространства
В процессе технологических операций цементное кольцо заколонного пространства подвергается сильным механическим и термическим воздействиям, которые в свою очередь приводят к ослаблению связи цементного камня с ограничивающими поверхностями (породы и трубы), а в определенных случаях и образованию зазора между ними.
Исследованиями авторов [10,52,106] показано, что в зависимости от величины снижения давления в колонне, толщины стенки и диаметра труб и скважины, образующийся между цементным камнем и трубой зазор может достигать до 1мм.
Нарушение герметичности заколонного пространства происходит и при традиционно применяемых методах перфорации обсадных колонн.
В процессе перфорации за счет взрывной волны, прохождения пули или кумулятивной струи в цементном кольце возникают напряжения, приводящие к возникновению трещин. Кроме того, ударная волна сильно встряхивает колонну, создавая дополнительные каналы перетока флюидов в зако-лонном пространстве [63].
Нарушение герметичности заколонного пространства происходит и при разбуривании цементного стакана, элементов оснастки обсадных колонн.
Причиной нарушения герметичности заколонного пространства могут быть также избыточные давления в затрубном пространстве, возникающие в результатее негерметичности лифтовой колонны, элементов подземного и устьевого оборудования, при соляно - кислотных обработках и гидроразрыве пласта.
Наиболее типичными дефектами крепи скважины по мнению [15,18] являются следующие: сообщающиеся между собой вертикальные трещины и каналы в цементном камне; высокая проницаемость цементного камня, зазоры между цементным кольцом, поверхностью колонны и стенками скважины; негерметичность резьбовых соединений эксплуатационной колонны.
Результатом негерметичности крепи скважины являются межколонные давления, перетоки между пластами, приводящие к обводнению скважин, перетоки между пластами и дневной поверхностью, часто сопровождающиеся грифонами.
Большой объем ремонтно -изоляционных работ связан с негерметичностью обсадных колон. По данным [2,16] затраты на ремонтноизоляцио-ные работы при герметизации резьбовых соединений составили около 34 суток, стыковочных соединений колонны - 42 суток, а при ликвидации дефектов в обсадных трубах - 32 суток.
В процессе эксплуатации скважины, при ее неоднократных глушениях, происходят значительные изменения температурного режима. Температура может меняться в значительных пределах, что создает большие знакопеременные напряжения в колонне, приводящие к нарушению целостности цементного кольца. Кроме того, технологические операции при капитальном ремонте скважин (глушение, закачка технических жидкостей, установка цементных мостов с последующим разбуриванием, ловильные работы, спуск и подъем НКТ и др.) будут способствовать образованию вторичных каналов перетока в заколонном пространстве. Такое состояние цементного камня неизбежно приводит к притоку посторонней воды в скважину при наличии вскрытых водоносных горизонтов.
В настоящее время большое число новых скважин бурится на мелких месторождениях, где находятся маломощные пласты с относительно низкой проницаемостью. Чтобы получить экономически рентабельные скважины, в них для повышения дебита нефти проводят многочисленные кислотные обработки. Такие операции обычно выполняются под давлением. Воздействуя на приствольную часть породы, кислота постепенно проникает по зазорам между цементным камнем, обсадной колонной и горной породой, создавая каналы сообщения между нефтяными и водоносными пластами. Таким обра 12 зом, кислотные обработки в некоторых скважинах становятся причинами за колонных перетоков флюидов и как следствие, обводнения нефтяных пластов [62].
Условия перетоков разделяются по характеру каналов повышенной проницаемости; времени и причинам их образования; последствиям (опасности) для результатов испытания; возможным методам изучения. Классификация должна учитывать необходимость возможно более однозначного прогноза успешности применяемой технологии ликвидации перетоков и, следовательно, основываться на методах прямого экспериментально-имитационного изучения процесса ремонтной изоляции [51].
По характерным особенностям формы поперечного сечения каналов повышенной проницаемости можно выделить следующие основные типы каналов [51]: - объемные, обычно образующиеся за счет защемления бурового раствора и буферной жидкости тампонажной смесью, а также обусловленные почти полным отсутствием тампонажной смеси за колонной в результате струйного вытеснения; - контактные кольцевые зазоры, вызванные неполным вытеснением слоя бурового раствора на контакте с колонной, контракционно-усадочными процессами, опрессовкой; ударно-механическими деформациями цементного кольца на контакте его с колонной; - трещинные, образующиеся в результате перфорации и реже- вследствие конгракционно-усадочных процессов.
Наиболее распространенными являются объемно-контактные каналы, так как практически любой дефект цементного кольца приводит к разуплотнению его контакта с колонной и увеличению соответствующего кольцевого зазора.
Механизм гелеобразования составов на основе СРШ
Для определения времени гелеобразования раствора использовалась методика [64,65,81,111], применяемая в промысловых и лабораторных условиях: свежеприготовленный раствор наливают в пробирки с притертой пробкой и помещают в термостат с заданной температурой. Для композиций, имеющих небольшое время начала гелеобразования (высокая концентрация кислых агентов в составе композиции) и повышенные температуры, растекание раствора в пробирке проверяется через каждые 5 мин. Для гелеобра-зующих составов с увеличенным временем начала гелеобразования промежутки между наблюдениями возрастают до 10-30 мин. За время начала гелеобразования было принято время, за которое гель наберет прочность 5 Па. Опыты показали, что при этом раствор не растекается при изменении наклона пробирки, значит, таким образом, был получен экспресс-метод определения времени начала образования геля. Для каждой системы измерение времени гелеобразования проводилось не менее трех раз и выбиралось среднее значение.
Вязкость гелеобразующего раствора определялась на ротационном вискозиметре [33]. Ротационный вискозиметр представляет собой два коаксиальных цилиндра, в кольцевой зазор между которыми заливается исследуемая жидкость. Необходимый рабочий объем жидкости составляет 20 см3, внутренний цилиндр приводится во вращение от электродвигателя с частотой вращения от 3 до 60 об/мин (при этом скорость сдвига изменяется от 0,36 до 73,4 с"); после прохождения 2-3 оборотов цилиндра устанавливается стационарный режим течения жидкости между цилиндрами. Вязкость рассчитывалась умножением относительных показаний прибора на поправочный коэффициент прибора для каждой рабочей скорости [88]. Измерение вязкости растворов проводилось при постоянной температуре. Для определения рН растворов гелеобразующих составов использовались рН-метр модели 744 фирмы Metrohm. Ошибка эксперимента составила ±0,0186% [65].
Одной из определяющих характеристик изоляционного материала является его способность противостоять напору флюидов в каналах, щели и промытой зоне пласта, определяемая его прочностью.
Гелеобразные системы являются коллоидными системами и характеризуются определенными реологическими свойствами: вязкостью гелеобра-зующего раствора, предельным напряжением разрушения (прочностью) образовавшегося из него геля [104].
Существующие стандартные приборы, применяемые для измерения предельного разрушения (прочности) типа ротационных вискозиметров, СНС-2, ВСН-2м и РВР [88], определяющих значения максимального напряжения от деформации (от времени) при минимальной (0,0615с"1) скорости сдвига, нельзя применять для определения прочности гелеобразующих составов. Причина состоит в том, что данные приборы измеряют прочность тиксотропной структуры, возникающей в покоящемся растворе, и интенсивность ее упрочнения во времени. При оставлении гелеобразующего раствора на время, необходимое для гелеобразования, и последующем переключении прибора на частоту вращения на 0,2 об/мин., показания углов закручивания шкалы прибора сразу показывают максимальное значение, т.е. шкалы прибора не хватает для измерения.
Во многих работах, посвященных герметизации заколонного пространства и оценке применяемых для этого материалов, в качестве критерия использовалось давление гидро-, или газопрорыва (давление начала фильтрации жидкости или газа) через образец породы или элемент модели заколонного пространства. Мы полагаем, что большую объективность даст градиент давления гидро-, или газопрорыва (градиент начала фильтрации), получаемый отношением давления к длине образца. Именно он является коли 52 чественным показателем герметизирующей способности гелеобразующих составов и в достаточной мере характеризует условия ликвидации перетоков.
Для измерения прочности геля применяют методику, описанную в работах [65,104], работающую по следующему принципу: насыщают пористую среду гелеобразующим составом, после образования геля определяют предельный градиент давления, необходимый для фильтрации воды через ге-лесодержащую пористую среду, при этом определяют расход воды. Затем, после обработки экспериментальных зависимостей расхода от градиента давления, находят прочности геля.
Недостатками метода является трудоемкость, т.е. для определения прочности геля необходимо проводить комплекс фильтрационных исследований. Также на получаемые результаты влияют не только прочность геля, но и его адгезионные свойства и собственные характеристики применяемой модели пористой среды.
Мы считаем, что для характеристики систем, имеющих коагуляцион-ную структуру, может использоваться показатель пластической прочности.
Пластическая прочность Рт характеризует прочность структуры раствора при пластично-вязком разрушении, измеряется на приборе по методу акад. П.А. Ребиндера, но такой прибор разработан для измерения пластине-ской прочности в области от 10 до 10 Па. У разрабатываемых гелей пла-стическая прочность значительно меньше 10 Па. В связи с этим, по аналогии указанный способ был приспособлен для определения прочности геля использованием вместо конуса из стали конуса из пластмассы с углами при вершине 30, 45, 60, над которым можно создавать любую нагрузку (см. рис.2.3.). Пластическая прочность Рт (в Па) вычисляется по формуле (2. 8) [18,35]:
Влияние добавки оксида кальция на свойства гелеобразующих составов
С целью получения прочного геля с оптимальным временем начала гелеобразования проводились исследования по изучению влияния концентрации соляной кислоты на свойства получаемого геля.
Результаты, представленные на рис.3.6, имеют определенные закономерности. Так, при концентрации СРШ 9- 11% время гелеобразования является наиболее оптимальным и составляет 6-25 часов в то время, как композиция с содержанием СРШ - 7%, образующая менее плотный гель, имеет большее время гелеобразования.
С увеличением концентрации соляной кислоты до 10% время гелеобразования уменьшается. При концентрации НС1 больше 10% время гелеобразования слабо зависит от концентрации соляной кислоты. Поэтому при обосновании объемов закачки и времени обработки скважин необходимо учитывать пластовую температуру на забое скважины и, в зависимости от нее, корректировать состав гелеобразующего раствора, т.е. подбирать оптимальные концентрации компонентов в растворе.
Одновременно была изучена динамика изменения плотности растворов гелеобразующих композиций на основе реагентов СРШ в растворах соляной кислоты. Замеры проводились через 1 час с начала опыта. Опыты показывают, что разница в плотности гелеобразующих растворов и исходной соляной кислоты линейно зависят от концентрации реагентов. При более высоких концентрациях соляной кислоты прирост плотности раствора за счет 200 180 160 1 140 120 100 гелеобразования растворения СРШ снижается по сравнению с ожидаемым по линейной зависимости, что свидетельствует о снижении степени растворения СРШ. Плотность исследуемых гелеобразующих растворов находится в пределах от 1064 до 1109 кг/м в зависимости от исходных реагентов [9].
При исследовании реологических свойств рассматриваемых гелей установлено, что гелеобразующие составы на основе СРШ представляют тик-сотропное псевдопластическое твердообразное тело конденсационной структуры, обладающее определенными значениями вязкости и пластической прочности [4].
На первом этапе исследовалось изменение вязкости гелеобразующей композиции от момента затворения до момента образования геля. Результаты экспериментов приведены на рис.3.7.
Из полученных экспериментальных данных видно, что разработанные новые гелеобразующие составы на основе СРШ и соляной кислоты при концентрации СРШ 7- 12% и соляной кислоты 6-11% представляют собой маловязкие жидкости, способные легко фильтроваться в поровый коллектор. Они сохраняют пластическую вязкость 1,13- 2,23 мПа с в течение нескольких часов до начала времени гелеобразования. В последующем, в зависимости от концентрации исходных компонентов и температуры, вязкость гелеобразующей композиции начинает лавинообразно нарастать, и жидкость переходит в гель с вязкостью до 44,11- 62,11 мПа с в зависимости от концентрации. При выдержке образовавшихся гелей в течение 2-х суток их прочность возрастает еще больше. Следовательно, при использовании гелеобразующих составов в качестве водоизолирующего материала необходимо создавать условия для формирования геля в пласте и укрепления его структуры, выдерживая его в скважине в покое в течение 2-5 суток. о
Зависимость вязкости гелеобразующего состава от времени выдержки Концентрация исходных реагентов и температура оказывают наибольшее влияние на прочность гелеобразующих составов. С увеличением концентрации СРШ увеличивается прочность получаемого геля до определенной концентрации, при которой прочность достигает точки перегиба и после этого, с увеличением концентрации СРШ, прочность геля уменьшается (см. рис.3.8). По мере увеличения доли СРШ наступает такой момент, когда образуется гель с осадками по всему объему раствора с пониженной прочностью. При повышении концентрации СРШ при постоянной концентрации кислоты происходит мгновенное образование геля с потерей прочности. Это происходит вследствие того, что полимеризация монокремневой кислоты не успевает произойти, т.к. этот процесс идет более продолжительно и в этом случае происходит коагуляция гидроокиси алюминия в виду его амфотерно-сти. Подобные процессы мы наблюдаем в случае с соляной кислотой. Когда кислоты в системе меньше и растворение СРШ замедляется, образуются очень неустойчивые золи с большими размерами частиц, которые быстро (в течение 15- 20 минут) коагулируют, образуя непрозрачные осадки, из которых со временем отделяется вода. Это можно объяснить тем, что при малых концентрациях НС1 количество образующегося хлористого алюминия А1С13 недостаточно, чтобы адсобированием катионов Al + придать заряд коллоидной частице. В результате вышеуказанного коллоидная частица не имеет по-тенциалобразующего заряда и не может находиться во взвешенном состоянии. Также по мере увеличения концентрации соляной кислоты повышается прочность геля, но при более высокой концентрации соляной кислоты время гелеобразования резко уменьшается. Таким образом, изменяя концентрацию исходных реагентов можно получить гель с прочностью, достаточной для проведения ремонтно - восстановительных работ.
На прочность полученных гелей на основе шлаков влияет также температура, с повышением которой прочность геля повышается. Видимо, это связано с повышением активности шлака в случае увеличения температуры. [10,35,44,53]. Результаты исследований представлены нарис. 3.9.
Исследование герметизирующей способности гелеобразующих составов на установке для исследования проницаемости керна (УИГЖ)
Для изучения закономерностей изменения градиента давления гидропрорыва и снижения водопроницаемости через гелесодержащие искусственные образцы в зависимости от проницаемости пористой среды и прочности состава, а также с целью получения математической зависимости между изучаемыми факторами, проводилась специальная серия экспериментов. При этом исходная проницаемость кернов по воде составляла 0,113- 0,588 мкм , характеристика закачиваемых гелеобразующих составов представлена в табл. 4.8. Результаты исследований представлены на рис. 4.5, 4.6 и в приложениях 4, 5, 6.
Из графика видно, что при увеличении коэффициента проницаемости градиент начала фильтрации уменьшается, причем уменьшение наиболее суще-ственно при увеличении коэффициента проницаемости от 0,1 мкм до 0,35 мкм
После определения давления гидропрорыва через гелесодержащий керн продолжалась закачка воды до полной стабилизации давления, и тогда была измерена его проницаемость по воде и оценено ее изменение по сравнению с начальной проницаемостью.
Результаты на рис. 4.6. свидетельствуют о том, что с увеличением коэф-фициента проницаемости от 0,113 до 0,588 мкм кратность снижения проницаемости повышается от 41 до 78 раз в зависимости от прочности геля. Это объясняется тем, что модели с высоким коэффициентом проницаемости обладают меньшим фильтрационным сопротивлением, вследствие этого происходит большее насыщение пористой среды гелеобразующим составом.
Следовательно, в проницаемых кернах структурирование геля, обладающего большой прочностью, происходит по всему объему порового пространства, в результате чего осуществляется полное перекрытие каналов структурированным гелеобразующим составом. В низко проницаемом камне фильт по руется меньшее количество геля, при этом часть пор остается незаполненной гелеобразующим составом, что снижает эффективность обработки.
Из анализа полученных результатов видно, что чем выше прочность геля, тем большее сопротивление давлению прорыва оказывает образец [4].
Применение методов рационального планирования эксперимента позволило получить математическую зависимость, связывающую переменные факторы (пластическая прочность геля, коэффициент проницаемости керна) и оценочные параметры (градиент давления гидропрорыва, степень снижения проницаемости): gradP= 6,61 + 0,22 Pm- 10,67 КИСХ.; ДК= 5,94 + 2,81 Рт + 22,01 КИСХ, где gradP - градиента давления гидропрорыва; АК - степень снижения проницаемости; Рт - прочность геля; Кисх- исходный коэффициент проницаемости керна.
Эксперименты проводились в условиях, приближенных к пластовым. Поэтому на основании этих данных можно судить о поведении предлагаемых композиций в реальном цементном камне. Вначале движение реагента будет идти по высокопористой.части цементного камня, а затем, из-за возникающих гидравлических сопротивлений, композиция будет заполнять средне- и низко пористые зоны. Такое заполнение порового пространства приведет к полной герметизации водогазопритока.
Результаты лабораторных исследований, полученных на экспериментальной установке и модифицированной установке УИПК, воспроизводящей скважинные условия, дают основание рекомендовать разработанные герметизирующие гелеобразующие составы для восстановления герметичности зако-лонного пространства скважины.
В некоторых случаях для ликвидации водопритоков в эксплуатирующихся скважинах требуется закупорить источники притока путем закачки геле-образующего раствора в обводненные продуктивные пласты [15,29,92]. Поэтому была рассмотрена герметизирующая способность разработанных гелеобра-зующих составов на образцах искусственных песчаников.
Экспериментальные исследования проводились на установке УИПК с использованием искусственных песчаных кернов, изготовленных по следующей методике. Сначала, исходя из требуемой проницаемости, смешивали очищенный кварцевый песок фракции 0,200- 0,315 мм с определенным количест-вом молотого песка (удельная поверхность 175,2 м /кг), в данном случае количество молотого песка - от 10% до 25%. После тщательного перемешивания песчаные фракции небольшими порциями добавлялись в заранее приготовленный связующий агент (эпоксидная композиция) в количестве 10% от массы смеси. Полученная смесь перемешивалась до однородной массы. Далее эта масса засыпалась в форму [35] для изготовления искусственных кернов.
Заполненную форму оставляли на 24 часа, чтобы дать возможность эпоксидной композиции затвердеть. По истечении этого времени полученные керны помещали в сушильный шкаф на 24 часа для полного затвердения керна. Затем проводился замер пористости и проницаемости полученных искусственных кернов.
Исходная проницаемость кернов по воде составила 0,640- 1,462 мкм . Исследования проводились с применением гелеобразующего состава с концентрацией 9% СРШ, 10% НС1 и 0,7%) СаО. Результаты исследований приведены в табл.4.9.
Результаты экспериментальных исследований показывают, что предложенные гелеобразующие составы обладают хорошей герметизирующей способностью в искусственных кернах с высокой проницаемостью и предотвращают приток при высоких перепадах давлений. При повышении температуры изолирующая способность выше (опыт 1, 2 табл. 4.9). Это объясняется тем, что с повышением температуры происходит снижение вязкости гелеобразующего раствора и происходит более глубокое проникновение его в поровое пространство. С увеличением температуры повышается и прочность геля.
При высокой проницаемости кернов, в случае, если желаемого результата не удается достичь при первичной закачке, необходима повторная закачка геля. Например, по данным табл.4.9, если при первичной обработке удалось снизить проницаемость керна до 23 раз, то после повторной обработки снижение проницаемости достигает до 248 раз, по сравнению с первоначальной проницаемостью.
Таким образом, предложенные гелеобразующие составы могут быть использованы для восстановления герметичности заколонного пространства и для изоляции притоков воды в терригенных породах пласта.
