Содержание к диссертации
Введение
1 Подземные хранилища газа. условия строительства и работы скважин
1.1 Назначение, история развития, типы газохранилищ, принципы их , создания
1.2 Конструкция, условия вскрытия коллекторов и работы скважин на 1R подземных хранилищах газа
1.3 Основные причины утечек газа из пластов подземных хранилищ газа 28
1.4 Седиментационная устойчивость тампонажных растворов и пути ее R повышения
1.5. Характеристика облегчающих добавок 53
2 Разработка и исследование физико-механических свойств облегченого тампонажного раствора
2.1 Физико-механические свойства цеолитов 74
2.2 Обоснование вида ПАВ и электролита 78
2.3. Разработка облегченного тампонажного раствора на основе ЦНУБ и R
клиноптилолита
3 Разработка технологии улучшения качества приготовления тампонажного раствора в процессе цементирования
3.1 Постановка задачи исследований 113
3.2 Технология цементирования способом «прямой» круговой циркуляции
3.3 Технология управляемого обратного кругового способа цементирования
4 Результаты опытно-промышленного внедрения предлагаемых разработок
4.1 Результаты внедрения цементно-цеолитового облегченного тампо- 19-нажного раствора
4.2 Результаты внедрения технологий цементирования способом круговой циркуляции
Основные выводы и рекомендации 125
Список использованных источников 127
- Назначение, история развития, типы газохранилищ, принципы их , создания
- Основные причины утечек газа из пластов подземных хранилищ газа
- Физико-механические свойства цеолитов
- Технология цементирования способом «прямой» круговой циркуляции
Введение к работе
Актуальность темы. Подземные хранилища газа (ГГХГ) являются сложным геолого-техническим сооружениям, который включает в себя комплекс технологического оснащения и технических средств предназначенных для регулирования неравномерности газопотребления, создания стратегического и оперативного резерва газа. К настоящему времени в России и странах СНГ действуют около 50-ти ПХГ. Самыми крупными из них являются; Щелковское, Северо-Ставрапольское, Касимовское, Акыртюбинское, Кущевское, Волгоградское, Пунгинское, Песчано-Уметское и другие. Продуктивный пласт ПХГ представляет собой сложную флюидодинамическую систему, чувствительно реагирующую на всякое воздействие в призабойной зоне пласта. Как отбор газа, так и закачка газа в пласт изменяют объем трещинного и порового пространства, внутрипоровое давление, свойства самого флюида. В пластах нарушаются взаимодействия между вмещающими породами, подземными водами, органическим веществом и растворенными газами, причем эти процессы протекают гораздо быстрее и контрастнее, чем собственные. При нарушении герметичности залежи, обусловленного как геологическими, так и технологическими факторами, увеличивается вероятность латеральных утечек и вертикальных перетоков газа за пределы пласта коллектора. Результатами приповерхностной газовой съемки на отдельной группе действующих ПХГ показано, что в результате миграции газ достигает верхнего слоя почвы и атмосферного воздуха. Отмечено изменение режима и уровня грунтовых вод, водного режима почв и грунтов, засоление, загрязнение подземных вод, увеличение содержания фи-тотоксических элементов в воде и воздухе.
Большинство ПХГ создано на базе истощенных газовых месторождений и характеризуются аномально низкими пластовыми давлениями (АНПД). Для их разобщения требуется применение облегченных тампонажных растворов, снижение плотности которых достигается в основном за счет повышения водо-содержания и введения минеральных добавок, имеющих плотность намного
4 ниже плотности цемента. Последние, в большинстве, инертны в отношении формирования структуры цементного камня. Повышенное водосодержание и не участие облегчающих добавок в формировании структуры цементного камня приводят к проявлению сидементационных явлений, являющихся причиной вышеизложенных негативных явлений, возникающих при эксплуатации ПХГ.
Целью работы. Обеспечение надежности разобщения коллекторов подземных хранилищ газа путем разработки рецептур облегченных, седиментаци-онно устойчивых тампонажных растворов и технологий, способствующих формированию цементного камня (в затрубном пространстве) малой проницаемости.
Основные задачи исследований
анализ условий работы крепи скважин на ПХГ, выявление причин меж и за-колонных проявлений;
обоснование выбора вида облегчающих добавок к тампонажным растворам, улучшающих физико-механические свойства последних;
разработка и исследование физико-механических свойств облегченных тампонажных растворов;
разработка технологии гидроактивации тампонажного раствора с целью обеспечения герметичности затрубного пространства;
проведение опытно-промышленных испытаний, анализ полученных результатов.
Научная новизна. Сформулированы научно-обоснованные требования к составу и свойствам тампонажных материалов, предназначенных для разобщения коллекторов, используемых в качестве подземных хранилищ газа. Обоснована целесообразность применения для этих условий цеолитов.
Научно обосновано направление повышения седиментационной устойчивости облегченных тампонажных растворов введением водорастворимых поверхностно - активных веществ ПАВ совместно с электролитами.
Предложена и разработана технология гидроактивации тампонажного раствора с целью облегчения герметичности системы обсадная колонна - цементный камень - горная порода.
Практическая значимость. Разработанная рецептура облегченного се-диментационно устойчивого тампонажного раствора в комплексе с технологией ее гидроактивации при цементировании эксплуатационных колонн на ПХГ способствовало полному заполнению затрубного пространства, гомогенизации состава многокомпонентной тампонажной смеси, улучшению физико-механических свойств, формирующегося цементного камня.
Назначение, история развития, типы газохранилищ, принципы их , создания
Газохранилища — инженерные сооружения, предназначенные для хранения газа и регулирования его подачи в соответствии с неравномерностью потребления.
Основная причина, определяющая целесообразность использования газохранилищ, состоит в значительной неравномерности потребления газа. Среднемесячные расходы его летом в зависимости от конкретных условий отличаются от среднемесячных расходов зимой в 1,5 - 2 и даже 3 раза. Если же исходить из максимальных суточных расходов, то разница между летним и зимним потреблением достигает 10-15 раз.
Нефтегазодобывающие управления, газопроводы и газовые заводы, рассчитанные на максимальную потребность в газе, загружены постоянно, но полностью не обеспечивают потребителя топливом большую часть года. Производственные же мощности систем, рассчитанных на максимум подачи газа, оказываются почти всегда недоиспользованными, а поэтому себестоимость газа, подаваемого с их помощью, становится большой.
В связи с этим, производительность газопроводов и нефтегазодобывающих предприятий проектируют несколько завышенной, исходя из средней за год потребности газа, при этом они оказываются загруженными примерно на 80—85% от потенциальной возможности. Увеличение их производительности на несколько процентов, позволяет сберечь народному хозяйству десятки миллионов рублей в год.
Поставленная цель достигается следующим образом: 1) «сглаживанием» неравномерности потребления газа; 2) сооружением специальных установок для дополнительного производства газа и подачи его потребителю в периоды пиковых спросов на топливо, 3) созданием специальных емкостей, в которых газ накапливается при его избытке и расходуется при недостатке.
«Сглаживание» неравномерности потребления газа достигается введением принудительного графика использования газа и дифференциацией цен на него.
Принудительный график предусматривает перевод зимой некоторых предприятий, называемых буферными, с газообразного на другие виды топлива. Обычно в качестве буферных потребителей используются электростанции, поскольку они легче других производств переводятся на менее ценные виды топлива.
Использование буферных потребителей не лучшее решение проблемы. Так как переход с газообразного на иные виды топлива приводит к неудобствам и дополнительным затратам, связанным с необходимостью хранить мазут или уголь, дублировать топочные устройства, иметь дополнительный штат обслуживающего персонала и т. д. Расчеты показывают, что с помощью буферных потребителей всю неравномерность покрывать нецелесообразно. В условиях Москвы, например, сезонная неравномерность газопотребления «сглаживается» за счет электростанций, примерно на 10%.
Метод дифференцирования цен состоит в том, что летом газ продается дешевле, чем зимой. При этом некоторые потребители сами отказываются от использования его зимой. Этот способ широко применяется в зарубежных странах. Он в какой-то степени выравнивает потребление газа, но не является радикальным решением вопроса, так как не устраняет проблем, указанных выше, а перекладывает расходы с одного предприятия на другое.
Установки для дополнительного изготовления газа в периоды его повышенного спроса также широко не применяются. Установки небольшой мощности не способны удовлетворить дополнительный зимний спрос на газ, а с повышенной производительностью стоят слишком дорого. В условиях Германии, например, газ, получаемый на небольших установках, обходится в 3,5 - 4 раза дороже, чем газ, вырабатываемый на постоянно действующих крупных заводах.
Одним из решений проблемы неравномерности газопотребления является сооружение специальных емкостей, способных вмещать избытки газа при недостаточном его потреблении и возвращать в систему при повышенном спросе.
Для покрытия сезонной неравномерности потребления газа необходима емкость в сотни миллионов и миллиардов кубометров. Хранить такие объемы в наземных и подземных поверхностных резервуарах невозможно из-за их высокой стоимости, металлоемкости, взрывоопасности и большой площади, которую они занимают. Например, для сооружения газгольдеров, способных полностью покрыть сезонную неравномерность газопотребления такого города, как Москва, потребовалось бы затратить около 2,5 млн. тонн стали и занять несколько сот гектаров площади. Основное промышленное значение имеют хранилища, созданные в подземных пористых резервуарах. Их емкость составляет более 90% от общей емкости всех газохранилищ мира.
Проблема хранения газа в начале (в середине VIII века) была решена сооружением газгольдеров, емкость которых в отдельных случаях достигала весьма внушительных величин. Известен, например, стальной газгольдер низ-кого давления в г. Чикаго, емкость которого была 600 тыс. м .
В начале XX века в связи с развитием трубопроводного транспорта сфера применения природного газа расширилась. Наземные стальные резервуары уже не могли удовлетворять запросам промышленности. Возникла необходимость в хранилищах емкостью в десятки миллионов кубометров газа. В это же время начинают появляться первые истощенные газовые месторождения, которые можно было использовать для аккумулирования необходимых объемов газа.
Основные причины утечек газа из пластов подземных хранилищ газа
Продуктивный пласт ПХГ представляет собой сложную флюидодина-мическую систему, чувствительно реагирующую на всякое воздействие в при-забойной зоне пласта. Как отбор газа, так и закачивание газа в пласт изменяют объем трещинного и порового пространства, внутрипоровое давление, свойства самого флюида. В пластах нарушаются взаимодействия между вмещающими породами, подземными водами, органическим веществом и растворенными газами, причем эти процессы протекают гораздо быстрее и контрастнее, чем собственные. При нарушении герметичности залежи, обусловленного как геологическими, так и технологическими факторами, увеличивается вероятность латеральных утечек и вертикальных перетоков газа за пределы коллектора. Результатами приповерхностной газовой съемки на отдельной группе действующих ПХГ показано, что в результате миграции газ достигает верхнего слоя почвы и атмосферного воздуха. Отмечено изменение режима и уровня грунтовых вод, водного режима почв и грунтов, засоление, загрязнение подземных вод, увеличение содержания фитотоксических элементов в воде и на воздухе. Вопросу оценки герметичности хранилища посвящено много
Вопросу оценки герметичности хранилища посвящено много работ, тем не менее эта проблема еще не решена. Наиболее комплексно вопрос о перетоках газа рассмотрен в работе А. П. Агишева [11], однако она посвящена в основном газовым залежам.
Газовые скопления, образовавшиеся в результате перетоков и утечек газа, принято называть побочными. Потерями газа следует считать те объемы утечек, которые экономически невыгодно или технически невозможно использовать. Побочные газовые объемы, освоенные и используемые в качестве еще одного промышленного хранилища, названо побочными хранилищами. Если есть основания считать, что отделившаяся от основного газового объема часть газа со временем может быть так или иначе использована, то такие потери называют временными.
Перетоки и утечки целесообразно рассматривать с точки зрения .их направления относительно напластования пород, интенсивности и характера каналов, по которым они происходят.
Газ может перетекать в вышележащие пласты-коллекторы; в нижележащие пласты-коллекторы; вдоль, пласта, в смежные поднятия.
Наиболее типичны и опасны перетоки газа в вышележащие пласты-коллекторы. Они происходят под влиянием градиентов наведенных давлений и „ dP разности плотности воды и газа. Градиент давления — направлен вверх, то dH есть давление в хранилище больше, чем давление в вышезалегающих пластах, или направлен вниз, когда хранилище истощено и давление в нем становится более низким, чем в верхних горизонтах.
Схема возможных перетоков газа представлена на рисунке 3. ТЭ dP г В частном случае градиент — может быть равен нулю, при этом газ всплы dH вает через неплотность покрышки под влиянием градиента, обусловленного действием только сил тяжести. Этот градиент численно равен разности плотностей воды и газа и достаточно велик. Его трудно уравновесить, например, встречным потоком воды, нагнетаемой в верхние водоносные пласты специально для предотвращения утечек газа. Газ может перетекать в вышележащие слои, минуя высокопроницаемые промежуточные пропластки, так как горизонтально направленные градиенты давления обычно бывают меньше„чем вертикальные.
Переток газа в нижележащие пласты потенциально возможен на глубину Нп, определяемую выражением РЛг-1) (7) я = (Рв-Рп)ш8 где/?0—начальное давление в самой верхней точке пласта-коллектора; г - коэффициент репрессии; рп—плотность газа в пластовых условиях. Фактическая глубина проникновения газа вниз зависит от гидравлических сопротивлений среды, от величины и времени действия перепада давления. При наличии трещин и других каналов с небольшими гидравлическими сопротив лениями газ может оттеснить воду до потенциальной глубины за достаточно небольшое время.
По напластованию перетоки газа происходят главным образом в результате образования языков газоносности, развивающихся за пределы ловушки. Интенсивность этого вида перетоков зависит от темпа нагнетания газа, степени неоднородности пласта и формы поднятия. Наблюдались случаи перетока газа в смежное поднятие при весьма большой амплитуде ловушки, порядка 100 м.
Перетоки газа по заколонному пространству в основном вызваны формированием каналов по контактам цементный камень - горная порода, цементный камень - обсадная колонна и в самом цементном камне.
Условия, способствующие проникновению флюида в затрубное пространство, несмотря на большое количество работ в этой области, изучены недостаточно; недостаточно также выяснены и причины этого явления. Так как наиболее опасным является прорыв газа, то анализ следует сосредоточить в этом направлении. Анализ материалов, проведенный В.Д. Малеванским по Газ-ли и Шебелинке, и многим другим месторождениям показал, что, например, газопроявления начинают возникать после цементирования через 3-48 часов [12-13].
Физико-механические свойства цеолитов
Цеолиты являются представителями тонкомолотых трассовых и туфовых горных пород. Из известных, более чем 40 цеолитовых минералов, промышленное значение имеют только шесть - клиноптилолит, модернит, эрио-нит, шабазит, фельерит и филанпеит.
Из них запатентованы и используются: цеолитизированный туф [164], клиноптилолитоглинистая порода [165], гидрофобизированный клиноптилолит [167]. По составу цеолиты - это каркасные алюмосиликаты состава: (Na, К) х + (Са, Mg, Sz, Ва ) у Alx + ZySi2 ( х + 2у ) + п Н20, а в частности клиноптилолит - (Na, К )4 СаА16 Si3oOi2 24Н20
В отличие от других кремнеземистых и алюмосиликатных минеральных добавок, чаще всего представленные непористыми аморфными слоистыми частицами, клиноптилолит является микропористым каркасным силикатом, в структуре которого имеется четыре типа каналов эллиптического сечения, образованных десяти и восьмичленными кольцами А1203 - Si02 и тетраэдров, расположенных в трех направлениях. Каналы параллельные оси "С" имеют размеры 0,705x0,425 нм и 0,406x0,395 нм соответственно. Восьмимерные каналы, расположенные параллельно оси "а" и под углом 50 к этой оси, имеют диаметры 0,540x0,390 нм. По данным термографических исследований отмечается наличие широкого эндотермического эффекта с максимумом при температуре 180 С, отвечающего дегидратации связанных молекул воды. Полное удаление воды (15,6 %) происходит без заметных изменений кристаллической структуры цеолита. При 800 С клиноптилолит становится рентгеноаморфным. Основные структурные параметры клиноптилолитов следующие : эффективный диаметр входных окон - 0,43 - 0,35 нм; объем свободного внутрикристаллического пространства 30-40 %.
В цеолитах, как правило, часть кремния (Si4") замещена на алюминий. Такое замещение приводит к появлению избыточного отрицательного заряда, который должен быть нейтрализован дополнительным ионом расположенным во внутрикристаллических полостях структуры. Кроме того, ионообменные центры могут возникать на поверхности минералов в связи с отклонениями от электронейтральности на границах раздела фаз. Так по данным об изменении теплоты смачивания и теплоты адсорбции от количества предварительно адсорбированной воды можно судить о том, что активные центры могут быть обусловлены наличием протон-донорных SiOH группировок, координационно ненасыщенных ионов алюминия и др. Плотность электроноакцепторных связей высока. Часть этих центров расположена на внешней поверхности клиноптило-лита.
В силу указанных особенностей, матрицы цеолитового типа во внутри-кристаллическом пространстве вместе с обменными катионами содержат и молекулы воды. Наличие заряда на внешней поверхности способствует взаимодействию частиц клиноптилолита с ионами и ассоциатами золя цементной дисперсии.
Это приводит к снижению части свободной воды затворения тампонажного раствора, понижению его подвижности. Поэтому имеется необходимость повышения количества водотвердого отношения.
Отмеченные выше особенности клиноптилолитосодержащих материалов позволило разработать цементно-цеолитовые композиции. Установлено [166], что "разбавление" портландцементного клинкера или шлакопортландцементно-го цемента 8-12 % клиноптилолита не только не уменьшает интенсивность вы кристаллизации новообразований, но даже усиливает ее. В цементно-цеолитовых дисперсиях разложение нестабильных гидратных новообразований идет полнее и быстрее, поскольку оно происходит на свободных граничных поверхностях обращенных к жидкой фазе, а не внутри конгломератов частиц, как это бывает у непористых добавок. Физико-химическое состояние коллоидных частиц в цементно-цеолитовом растворе отвечает условиям последующего образования прочных единичных контактов и адгезионных контактных зон в микроструктуре камня, гидратационный процесс постоянно возобновляется на очищенных от новообразований участках цеолита. С целью усиления процессов структурообразования цементно-цеолитовых композиций предложено помол осуществлять с частичным модифицированием его активных центров микродобавками ПАВ. Для этих целей предлагаются ГКЖ-94, ГКЖ-10, ОП-10, амины и так далее. Вводимые ПАВ образуют на частицах разреженный мономолекулярный слой поверхностных соединений с новыми физико-механическими свойствами. Модифицирование увеличивает дисперсность частиц, происходит перераспределение плотности заряда поверхности, сильно изменяет электрокинетические свойства и гидрофильность. Отмечено: увеличение электрокинетического потенциала, а затем его падение, смена заряда на положительный, а также снижение величины теплоты смачивания. Действие указанных факторов на процессы твердения осуществляются через адсорбцию ионов и ассоциатов из жидкой фазы, изменение площади контактов в пространственной пластичной структуре, направленности роста и отслоения кристаллов от определенных участков поверхности. При отвердевании образцов осуществляется плотная упаковка новообразований с ориентированно-волокнистой морфологией, возникает повышенное число контактов сростания в блоках, т.е. формируется структура цементного камня с высокими прочностными и изоляционными свойствами. Таким образом, описанные выше исследования, которые в основном проводились с портландцементами при умеренных температурах, показали пер спективность и эффективность цеолитовых материалов, что послужило основанием и рекомендацией их использования в качестве облегчающей добавки.
Клпноптилолитоглинистая порода залегает мощными пластами на многих месторождениях цеолитизированных туфов (Новый Кохб, Сакорница, Тед-зами и др.). Ее минералогический состав: клиноптилолит, 55 - 70 %, монтмориллониты плюс гидрослюда 25-35 %, сопутствующие минералы 5 - 10%. Объемный вес этой горной породы составляет порядка 1800 кг/м . Она легко размалывается, из нее получается дисперсный и легко сыпучий порошок, обогащенный глинистыми фракциями, причем последние, распределяются возле кристаллов клиноптилолита. Это позволяет получать однородные стабильные суспензии.
Технология цементирования способом «прямой» круговой циркуляции
В процессе твердения тампонажных материалов на начальной стадии при взаимодействии цементного порошка с водой поверхность цементных зерен покрывается пленкой воды, происходит интенсивное растворение и возникают пленки новообразований, которые делают гидратацию в дальнейшем не избирательной, а определяемой диффузией. Вода доставляется по порам через оболочку к внутренней части зерен, а продукты гидратации откладываются внутри или выносятся наружу. Показатель концентрации водородных ионов растет, и при достижении определенных значений начинается кристаллообразование. Кроме того, в момент затворения цемента, частицы цемента в значительной мере окружены газовыми оболочками из воздуха, углекислого газа, паров воды. Добавляемая вода, имея по сравнению с газом больший дипольный момент, вытесняет их и облипает частицы водными оболочками. Но вследствие неправильного распределения воды в цементном тесте происходит образование прочных коагуляционных структур. Неравномерное распределение воды между зернами отрицательно сказывается и на структуре цементного камня, способствуя образованию крупных поровых капилляров, наличие которых вредно сказывается на прочности и проницаемости цементного, камня.
Результаты многочисленных исследований, выполненные в области изучения физико-химических процессов твердения минеральных тампонажных материалов Ю.С. Кузнецова, P.M. Нургалиева, Ф.А. Агзамова, В.М. Кравцова, В.П. Овчинникова и др., позволили заключить, что имеется необходимость активно вмешиваться в протекающие при твердении процессы и, направленно воздействуя на них, улучшать свойства твердеющего камня тампонажного кам 114 ня. В этом направлении доказана целесообразность и перспективность использования гидравлических импульсов давления.
При наложении механических воздействий, путем соударения зерен цемента, происходит адсорбционное и химическое диспергирование зерен цемента и увеличение числа коллоидных частиц в единице объема, включая и возникшие из перенасыщенного раствора кристаллики новообразований. При соударении зерен клинкера с их поверхности удаляются продукты диспергирования и перекристаллизации, обнажая при этом все новые поверхности для взаимодействия с водой. Огромное развитие поверхности клинкерных минералов ускоряет их растворение и выкристаллизование новооб-разований из перенасыщенного раствора. В результате идет образование мелкокристаллической структуры цементного камня с высокой механической прочностью, малой проницаемостью.
Названными выше авторами разработаны различные методы активации тампонажных растворов - химические, механические, гидравлические и устройства для их реализации. Их анализ показал перспективность и эффективность последних. Однако на наш взгляд одним общим недостатком этого метода является наличие дополнительных узлов, элементов, технических средств, включаемых в циркуляционную систему в проведении работ по цементированию скважин.
Работами В.Г. Татаурова, Д. Биндера было показано, что улучшение структуры формирующегося камня возможно и за счет увеличение времени перемешивания тампонажного раствора, практически с той же эффективностью.
Учитывая изложенное предложено осуществление процесса цементирования по замкнутому циклу: устье - внутренняя полость обсадных труб - за-трубное пространство - устье и далее повторение цикла.
Технология цементирования способом «прямой» круговой цирк ляции
Многими исследованиями, убедительно было показано, что при цирку-л ляции тампонажного раствора за счет отфильтровывания части свободной воды затворения, неравномерной работы цементировочной техники, неоднородного смешения компонентов тампонажной смеси (раствора) и ряда других причин физико-механические свойства раствора и формирующегося камня ухудшаются.
Поэтому увеличение длительности процесса перемешивания составляющих тампонажного состава до окончательного размещения в заколонном пространстве способствует созданию лучших условии формирования цементного камня. Помимо перемешивания в поверхностных условиях возможна циркуляция тампонажного раствора через скважину. Дополнительные преимущества этого способа подготовки цементного раствора заключаются в более полном замещении бурового раствора и дополнительной кольматации стенок скважины. Кроме того, сокращается время от момента оставления цемента в состоянии покоя до начала схватывания. Данная технология в принципе уже имела свое применение. Так например, в США использовался метод, заключавшийся в замене бурового раствора тампонажным и с введением консерванта в цемент. После многократного циркулирования через бурильный инструмент и обсадную колонну в цементный раствор вводился хлорид кальция, разрушающий консервант и ускоряющий твердение цемента [172].
