Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Современное состояние технологии и техники крепления скважин 8
1.1. Анализ эффективности использования полимеров в составе тампонажных растворов для цементирования нефтяных и газовых скважин 8
1.2. Тампонажные растворы, применяемые для крепления скважин в условиях многолетнемерзлых горных породах 27
1.3. Анализ технологических факторов, влияющих на качество цементирования обсадных колонн 29
1.4. Постановка цели и задач исследования 34
ГЛАВА II. Методика проведения исследований 35
2.1. Теоретические исследования 35
2.2. Экспериментальные исследования 35
2.3. Обработка результатов экспериментальных исследований 40
ГЛАВА III. Экспериментальные исследования физико- механических свойств полимерцементных композиций с низким содержанием дисперсионной среды 42
3.1. Исследования свойств полимерцементных суспензий 44
3.2. Исследования влияния низких температур на прочность тампонажного камня 54
Выводы по главе 3 56
ГЛАВА IV. Аналитические и экспериментальные исследования процесса формирования кристаллизационной структуры полимерцементных тампонажных смесей 58
4.1. Анализ влияния водоцементного отношения на характер формирования поровой текстуры цементного камня 58
4.2. Анализ влияния реагента-пластификатора на структуру цементного камня 66
4.3. Микроструктура и свойства тампонажных смесей для крепления неустойчивых многолетнемерзлых горных пород 72
Выводы по главе 4 81
ГЛАВА V. Опытно-производственные исследования технологии цементирования обсадных колонн полимерцементными смесями 82
5.1. Опытно-производственные испытания на объектах ОАО «Сургутнефтегаз» 82
5.1. Опытно-производственные испытания на объектах ООО
«Красноярское буровое предприятие» 87
Выводы по главе 5 90
Общие выводы и рекомендации 91
Список использованной литературы
- Анализ эффективности использования полимеров в составе тампонажных растворов для цементирования нефтяных и газовых скважин
- Обработка результатов экспериментальных исследований
- Исследования свойств полимерцементных суспензий
- Анализ влияния водоцементного отношения на характер формирования поровой текстуры цементного камня
Введение к работе
Актуальность темы: Объемы бурения поисковых разведочных и эксплуатационных скважин на нефть и газ, направленные на развитие топливно-энергетической базы РФ, в настоящее время сосредоточены на северо-востоке европейской части России и в районах Севера Сибири.
Большинство газовых, газоконденсатных и частично нефтегазовых и нефтяных месторождений указанных районов нашей страны приурочены к зонам распространения многолетнемерзлых горных пород.
Традиционные технологии и материалы для крепления обсадных колонн в этих условиях не всегда, а чаще всего - в наименьшей степени обеспечивают создание надежной и долговечной разобщающей перемычки в затру бном пространстве. Это, в первую очередь, относится к герметизации направлений, кондукторов и участков технических колонн, расположенных в зоне влияния многолетнемерзлых горных пород (ММГП).
При цементировании затрубного пространства в указанных условиях происходят различного типа осложнения, в результате которых верхняя часть общей конструкции скважины может оказаться местом образования перетоков пластовых флюидов, вызывающих, в свою очередь, заколонные проявления, образование грифонов и т.д.
Поскольку площадь распространения ММГП в РФ составляет более 55% всей территории, то вполне естественно, что наиболее крупные газовые и газоконденсатные месторождения (Уренгой, Ямбург и др.) приурочены именно к этим зонам, при этом мощность некоторых криолитозон в отдельных регионах достигает 300 м и более.
В этой связи совершенствование технологий цементирования обсадных колонн при низких скважинных температурах представляется весьма актуальной задачей в условиях государственной программы развития топливно-энергетического комплекса России. Эта проблема стоит наиболее остро в связи с назревшими вопросами необходимости повышения
эффективности тампонирования скважин, долговечности крепи, увеличению безремонтного срока эксплуатации.
Проблемами разработки тампонажных материалов для цементирования скважин в условиях низких положительных и отрицательных температур посвящены работы Ф.Р. Агзамова [56], O.K. Ангелопуло [6], B.C. Бакшутова [38], А.И. Булатова [10-17, 42, 45, 50, 56, 62, 65, 67, 70, 72], B.C. Данюшевского [4, 10, 29, 35, 36, 37, 46], Измайлова Р.А. [40, 41], В.Г. Кузнецова [65], А.В. Марамзина [49], Н.И. Николаева [53, 54, 55], П.В. Овчинникова [86], В.И. Урманчеева [88], А.А. Фролова [87], А.А. Шатова [86], Яковлев А.А. [63, 96], Яковлев A.M. [50] и др.
Однако до настоящего времени нет единых научно обоснованных рекомендаций по цементированию скважин в районах Крайнего Севера.
Целью работы является повышение эффективности и качества цементирования скважин полимерцементными смесями при низких температурах окружающей среды за счет направленного изменения структурно-текстурных характеристик цементного камня.
Идея работы заключается в увеличении прочности цементного камня на сжатие и изгиб, его сцепления с обсадными трубами, снижение проницаемости и контракции, повышении морозостойкости и солестойкости за счет снижения водоцементного отношения ниже стандартного, при сохранении подвижности (прокачиваемости) полимерцементной суспензии путем введения в ее состав нового отечественного реагента-пластификатора «Конкрепол».
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
провести анализ материалов и реагентов, используемых при тампонировании скважин, а также современного состояния технологии цементирования нефтяных и газовых скважин с оценкой факторов, влияющих на качество изоляции межпластового пространства;
исследовать физико-механические свойства и разработать составы тампонажных смесей на основе минеральных вяжущих веществ с добавками высокомолекулярного реагента «Конкрепол»;
провести электронно-микроскопические исследования процессов структурообразования тампонажного камня;
установить закономерности формирования кристаллизационной структуры полимерцементных композиций.
Методика исследований включает в себя комплекс экспериментальных работ и теоретических исследований полимерцементных смесей с низким содержанием дисперсионной среды. Данные, полученные в ходе лабораторных испытаний, обрабатывались на ПК с помощью современного программного обеспечения на основе известных закономерностей планирования и обработки результатов экспериментов по исследованию цементных суспензий и тампонажного камня.
Научная новизна данной работы заключается в установлении закономерностей формирования кристаллизационной структуры и поровой текстуры полимерцементных композиций с пониженным содержанием дисперсионной среды и их влияния на физико-механические, адгезионные и реологические свойства цементных суспензий и тампонажного камня.
Защищаемые научные положения:
Введение в состав тампонажных портландцементов высокомолекулярного полимерного реагента «Конкрепол» в количестве 0,8-1,0% обеспечивает прокачиваемость полимерцементного раствора при снижении водоцементного отношения до 0,4, что в свою очередь повышает физико-механические свойства цементного камня, в том числе в условиях низких температур.
Повышение прочности затвердевшей полимерцементной композиции с низким содержанием дисперсионной среды на сжатие и изгиб, а также адгезии с обсадными трубами, в том числе в соленой среде, обеспечивается за счет снижения пористости с 42 до 27% и увеличения содержания
нитевидных кристаллов C3SH в общей кристаллической структуре цементного камня.
Основные научные результаты, полученные лично автором:
обоснована целесообразность снижения водоцементного отношения в тампонажной смеси как единственного пути увеличения прочностных характеристик цементного камня;
определена оптимальная концентрация высокомолекулярного реагента «Конкрепол» (0,8-1,0% от веса вяжущего) для тампонажных смесей с низким содержанием дисперсионной среды;
теоретически обосновано влияние нитевидных форм гидросиликата кальция на прочностные характеристики тампонажного камня;
установлена зависимость доли макропор в общей структуре порового пространства цементного камня от водоцементного отношения полимерцементной смеси.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций определяется современным уровнем аналитических и достаточным объемом экспериментальных исследований, высокой степенью сходимости их результатов и воспроизводимостью полученных данных.
Практическая значимость работы заключается в определении рецептуры эффективных полимерцементных смесей для цементирования нефтяных и газовых скважин в условиях низких температур. Разработанные рецептуры прошли опробование на производственных объектах ОАО «Сургутнефтегаз» и ООО «Красноярское буровое предприятие» с положительным результатом АКЦ 84,6%.
Апробация работы. Основные положения, результаты теоретических и экспериментальных исследований, выводы и рекомендации докладывались на VII Международном научном симпозиуме студентов, аспирантов и молодых ученых имени академика М.А. Усова "Проблемы геологии и освоения недр" (Томский политехнический институт, 2003); на ежегодных научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых
Санкт-Петербургского государственного горного института (Санкт-Петербург, 2003, 2004); на XIII Международной конференции по науке и технике (Польша, Краковская горно-металлургическая академия, 2003); на XIV Международной конференции по науке и технике (Польша, Краковская горно-металлургическая академия, 2004); на международной научной конференции «New technology of water well drilling and completion» (Китай, Цзилинский университет, 2004); на заседаниях кафедры технологии и техники бурения скважин СПГГИ(ТУ).
По результатам работы над диссертацией автором был получен грант Ученого Совета горного института на 2004 год. В этом же году была присуждена стипендия Правительства РФ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано девять печатных работ, в том числе одно учебное пособие, семь статей, тезисы доклада.
Анализ эффективности использования полимеров в составе тампонажных растворов для цементирования нефтяных и газовых скважин
Все способы цементирования имеют одну цель — вытеснить буровой раствор тампонажным из затрубного пространства скважины и поднять последний на заданную высоту. В результате этого предотвращается возможность движения любой жидкости или газа из одного пласта в другой через заколонное пространство, обеспечивается длительная изоляция продуктивных объектов от посторонних вод, укрепляются неустойчивые, склонные к обвалам и осыпям породы, обсадная колонна предохраняется от коррозии пластовыми водами и повышается ее несущая способность.
Важность качественного цементирования обусловлена тем, что это заключительный этап строительства скважин, поэтому неудачи при его выполнении могут свести к минимуму ожидаемый эффект, стать причиной неправильной оценки перспективности разведываемых площадей, появления «новых» залежей нефти и, особенно, газа в коллекторах, перетоков флюидов, грифонообразования, газопроявлений и т.д. Стоимость скважин, особенно глубоких, высока, а ущерб от некачественного их крепления может быть еще большим. Процесс цементирования скважин — операция необратимая, ремонт и восстановление их связаны со значительными затратами средств и времени.
Назначение и функции, выполняемые цементным камнем, многообразны: - разобщение пластов, их изоляции, т.е. образование в стволе безусадочного тампона, внутреннюю часть которого составляет колонна обсадных труб. Важным условием является равномерная толщина цементного камня со всех сторон. Размеры кольцевого зазора (т.е. толщина цементного кольца) не определяют качества разобщения пластов, однако влияют на формирование цементного камня или предопределяют его отсутствие; - удержание обсадной колонны от всевозможных перемещений; проседания под действием собственного веса, температурных деформаций, деформаций вследствие возникновения перепадов давления в колонне, ударных нагрузок, вращений и т.д.; - защита обсадной колонны от действия коррозионной среды. Повышение работоспособности обсадной колонны с увеличением сопротивляемости повышенным (против паспортных данных) внешнему и внутреннему давлениям. Естественно, цементное кольцо должно быть сплошным и иметь при этом определенную физико-механическую характеристику; сплошное цементное кольцо, приобретая в процессе формирования камня способность к адгезии (цементный камень сцепляется с металлом труб, образуя интерметаллический слой), создает предпосылки к еще большему повышению сопротивляемости высоким внешним и внутренним давлениям.
В настоящее время изучено значительное число факторов, определяющих качество цементирования скважин. К основным из них относятся те, которые обеспечивают контактирование тампонажного раствора с породами и обсадной колонной при наиболее полном вытеснении бурового раствора тампонажным с заданными свойствами и наименьших затратах средств и времени [13].
В литературе [11, 12, 13, 14, 16] достаточно широко рассмотрены вопросы применения «чистого» (без добавок) цемента при тампонировании скважин. Однако далеко не всегда он отвечает всем необходимым требованиям для качественной межпластовой изоляции. Это обстоятельство вынуждает предприятия, ведущие буровые работы применять различные добавки-реагенты для регулирования тех или иных свойств тампонажной смеси и камня.
В нашей стране получили довольно широкое применение множество всевозможных реагентов как отечественного, так и зарубежного производства. Описать в отдельности эти добавки даже вкратце не представляется возможным в рамках данной работы. В связи с этим рассмотрены наиболее распространенные композиции с цементом.
Полимерцементные композиции
Речь идет главным образом о полиэтилене, так как другие полиолефины пока не нашли достаточно широкого применения при получении полимерцементных композиций.
В настоящее время масштабы производства полиэтилена значительно возросли, благодаря чему значительно расширилась область исследований по вопросам модификации цементов полиэтиленом.
Полиэтилен не вступает в химическую реакцию с минералами цементного клинкера; взаимодействие Ван-дер-Ваальсовых сил также не отмечается. Измерения показывают, что силы адгезии полиэтилена к цементному камню невелики и не превышают 0,2-0,8 кГ/см [35]. Однако опыты показали, что присутствие коллоидного полиэтилена в цементном камне улучшает некоторые свойства последнего, причем иногда весьма значительно.
Разработаны два способа введения полиэтилена в полиэтилен-цементные композиции: в виде твердых частиц той или иной формы и размеров либо в виде порошка полимера, диспергированного в воде или в другой жидкости.
Обработка результатов экспериментальных исследований
Обработка результатов экспериментальных исследований. Данные, полученные в результате экспериментальных исследований, подвергались обработке методами математической статистики с помощью новейшего программного обеспечения.
Так использование программы Statgraphics компании "Statistical Graphics Corp." позволяет кратно сократить количество исследований и выполнить обработку результатов исследований и построение графических зависимостей по ограниченному количеству полученных экспериментально значений выбранных параметров.
Для работы с этой программой необходимо установить диапазоны рациональных концентраций реагента и твердой фазы (цемент), обеспечивающие необходимый для построения искомой зависимости уровень значений выбранного параметра. В процессе построения при помощи заданных концентраций на основе программы рассчитывается таблица для проведения последующего эксперимента. На основе анализа полученных табличных значений выполняется подбор концентраций реагента для создания рабочей рецептуры цементной смеси.
При проведении лабораторных исследований физико-механических свойств тампонажных материалов все погрешности, возникающие при измерениях, разделялись на систематические и случайные. К систематическим относятся, в первую очередь, погрешности, связанные с несовершенством самих приборов. Случайные погрешности вызваны работой экспериментатора и особенностями исследуемого материала и связаны с нестабильностью воспроизводимости водоцементного отношения и неравномерностью объемного распределения компонентов тампонажной смеси.
Экспериментальные исследования физико-механических свойств полимерцементных композиций с низким содержанием дисперсионной среды.
В практике ведения буровых работ показатель водоцементного отношения (В/Ц) доводят от 0,5 (стандартное) до 1,0 и более [13], при этом повышается пористость цементного камня, снижаются его прочностные характеристики (рис.3.1). Как видно из графика, прочность цементного камня делится на несколько зоны. Первая зона - это снижение прочности за счет избытка дисперсионной среды (воды), вторая - за счет недостатка воды для полной гидратации цементного материала, при этом стандартное В/Ц находится во второй зоне. II зона 1(0) - через одни сутки твердения; 2(a) - через трое суток; 3(Д) - через пять суток; 4(х) - через семь суток; 5 (о) - через 28 суток.
Таким образом, резервы повышения прочности цементного камня, и как следствие - надежности и качества межпластовой изоляции в скважинах является использование водоцементного отношения в интервале от 0,35 до 0,5.
При снижении В/Ц, естественно, резко снижается подвижность (прокачиваемость) цементной смеси.
Известно [36], что В/Ц, обеспечивающее прокачиваемость цементного раствора должно быть не менее 0,5, при этом растекаемость (по конусу АзНИИ) должна быть не менее 17-18 см. Один из путей достижения данной растекаемости является добавление в состав тампонажной смеси различных поверхностно-активных веществ.
Автором были проведены исследования с различными видами ПАВ (сульфит-спиртовая барда (ССБ), лесохимический полифенол (ПФЛХ) и др.) из всего многообразия испытанных поверхностно-активных веществ, как неионогенных, так и ионогенных, в том числе катионоактивных и анионактивных, по разным причинам (дороговизна, нестабильность свойств и т.д.) был выбран в качестве реагента-пластификатора новый отечественный полимер «Конкрепол», ранее не применявшийся в буровой практике. Этот реагент представляет собой высокомолекулярный поливинилпирролидон с молекулярной массой 500000-6000000. Он представляет собой полупрозрачную бесцветную жидкость с полной растворимостью в воде, устойчив к солям поливалентных металлов, минерализованным водам и повышенной температуре (до 120С).
Проведенные исследования растекаемости цементного раствора (рис.3.2., табл.3.1.) показывают, что при концентрации указанного реагента в составе полимерцементной композиции 0,8-1,0% ее растекаемость может быть достаточной (более 17 см) при значениях В/Ц 0,4-0,45.
Увеличение содержание «Конкрепола» в составе цементной смеси более 1% еще в большей степени разжижает тампонажную суспензию, но не целесообразно с экономической точки зрения. В этой связи все дальнейшие исследования, связанные с определением свойств полимерного раствора и камня проводились с использованием концентрации реагента в растворе 0,8-1,0% веса вяжущего материала.
Исследования свойств полимерцементных суспензий
Однако определение сроков схватывания не дает полную картину кинетики структурообразования цементного камня. В этой связи были проведены исследования консистенции и определение пластической прочности.
Как видно из рис. 3.3. на ранних стадиях структурообразования тампонажного камня (до часа) консистенция базового цементного раствора выше, чем раствора с добавкой «Конкрепола». Однако после этого консистенция базового раствора продолжает снижаться, а раствора с добавкой реагента остается достаточно стабильной (около 45-55 условных единиц консистенции) до 7,5 часов.
Из графика (рис. 3.4) видно, что базовый тампонажный раствор с В/Ц=0,5 значительно быстрее набирает прочность спустя три часа после замешивания. Этого времени зачастую не хватает для проведения цементировочных работ.
График зависимости изменения пластической прочности тампонажных растворов от времени: 1 - Тампонажный раствор (ПТЦ400, В/Ц=0,5) с добавкой 5% NaCl; 2 - тампонажный раствор (ПТЦ400, В/Ц=0,5); 3 - тампонажный раствор (ПТЦ400, В/Ц=0,4) с добавкой «Конкрепол» 0,8% Исследования фильтрационных свойств, седиментационной устойчивости, контракции полимерцементных суспензий.
Фильтрационные свойства тампонажного раствора меняются в процессе формирования тампонажного камня. Фильтрационные процессы в цементной суспензии выражаются седиментацией в гравитационном поле и водоотдачей в пористую среду под действием перепада давлений как в процессе закачки тампонажного раствора в скважину, так и в процессе его твердения [35]. Таким образом, изолирующая способность цементного камня определяется двумя показателями: величиной начального градиента фильтрации и седиментационной устойчивостью тампонажного раствора.
Известно, что большая водоотдача в тампонажных растворах нежелательна и вредна [36]. Водоотдачу тампонажных растворов можно снизить, уменьшив содержание в них воды и удержав свободную воду в дисперсионной системе.
Введение в тампонажный раствор реагента «Конкрепол» позволило несколько снизить по сравнению с базовом цементным раствором (В/Ц=0,5) водоотделение на 10-12%, водоотдачу на 39,2%, однако водоотдача осталась достаточно высокой, (табл.3.3)
Процесс гидратации тампонажного цемента, как правило, сопровождается переупаковкой адсобированных на цементных частицах молекул воды, следствием чего является изменение объема твердеющего тампонажного камня. Удельная поверхность продуктов гидратации на 3-4 порядка больше удельной поверхности исходного вяжущего вещества. Химически связанная вода занимает меньший объем, чем свободная. В результате при взаимодействии вяжущего вещества с водой и образовании кристаллогидратов (новообразований) возникает изменение объема, называемое контракцией, который приблизительно равен объему воды, вступившей в химическую реакцию [10].
Исследования объемных деформаций показали, что при стандартном В/Ц=0,5 контракция составляет 1,0-1,5%, в то время как при меньших значениях она постепенно снижается до нуля (В/Ц=0,45), а при В/Ц=0,4 наблюдаются положительные деформации (расширение) на 0,15-0,28%. (табл. 3.4.)
Контракция тампонажных суспензий Можно сказать, что хотя добавка реагента «Конкрепол» несколько увеличивает усадку (на 0,5%) тампонажного раствора, однако данное , увеличение нельзя назвать существенным. Исследования прочностных характеристик тампонажного камня. В скважине цементный камень подвергается воздействию температуры, влажности, давления. При этом на него могут действовать растягивающие, сжимающие и изгибающие напряжения как одновременно, так и отдельно. Кроме того, физико-механические условия твердения цементного камня по глубине скважины неодинаково, а прочность камня меняется со временем.
Анализ влияния водоцементного отношения на характер формирования поровой текстуры цементного камня
Цементирование обсадных колонн в условиях вечной мерзлоты обычными тампонажными растворами на водной основе, как правило, не дает надежной изоляционной перемычки в затрубном пространстве, т.к. после закачивания они очень быстро замерзают.
При этом в первую очередь замерзает слой цементного раствора, примыкающий к горной породе, а затем зона промерзания распространяется в радиальном направлении вплоть до стенок обсадной трубы.
При дальнейшем углублении скважины под действием положительных температур промывочной жидкости происходит оттаивание непрогидратировавшей воды и ее прорывы по затрубному пространству.
Особенностью этого процесса является цикличность оттаивания и замерзания цементного камня.
В первую очередь замерзает вода, находящаяся в крупных порах и капиллярах. В более мелких порах замерзание воды происходит при очень низких отрицательных температурах. Так, например, в гелевых порах она не замерзает даже при температурах менее -45С. [58]
Поскольку при замерзании воды ее объем увеличивается примерно на 8- -9%, то внутри формирующегося цементного камня возникает значительные внутренние напряжения. При превышении этих напряжений (предела прочности) цементного камня в нем образуются микротрещины, а при последующих циклах оттаивания и замерзания происходит его разрушение.
Как видно из таблицы 3.7. прочность цементного камня при снижении В/Ц возрастает в связи с уменьшением общего количества воды и за счет снижения общей пористости и размеров капилляров.
Введение в состав цементной смеси полимерцементного реагента «Конкрепол», а также противоморозной добавки NaCl приводит к существенному повышению показателей прочностных свойств цементного камня (табл. 3.7)
Результаты исследования физико-механических свойств тампонажного камня при различных температурах
1. Добиться необходимой растекаемости при значениях В/Ц 0,4-0,45 для успешного прокачивания цементной смеси (17-18 см) можно с помощью высокомолекулярного поливинилпирролидона при его концентрации в растворе 0,8-1,0% от веса вяжущего.
2. Добавка реагента способствует значительному улучшению фильтрационных свойств тампонажного раствора (водоотдачу на 39,2%), увеличению прочности на сжатие (на 200% после 28 суток твердения) и изгиб (на 33,3% после семи суток твердения), увеличению адгезионных свойств цементного камня (на 37,2% после трех суток твердения).
3. Хотя исследования влияния отрицательных температур и противоморозной добавки NaCl на прочность полимерцементного камня на сжатие и изгиб показали общее существенное снижение прочности по сравнению с нормальными условиями, тем не менее эти исследования убедительно свидетельствуют о значительном влиянии В/Ц на процессы твердения цементного камня в условиях низких температур, а также показывают, что основные показатели тампонажных материалов с низким содержанием дисперсионной среды превышают аналогичные базовые характеристики. ГЛАВА IV. Аналитические и экспериментальные исследования процесса формирования кристаллизационной структуры полимерцементных тампонажных смесей.
