Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ проблемы создания качественного изоляционного комплекса скважины 10
1.1. Причины нарушения герметичности крепи; технологические мероприятия, направленные на повышение качества крепления глубоких скважин 10
1.2. Особенности вытеснения бурового раствора тампонажным в процессе цементирования 15
1.3. Особенности процесса структурообразования дисперсных систем и регулирование изоляционных характеристик тампонажных материалов 21
1.4. Выводы из анализа состояния проблемы 34
2. Исходные материалы, приборы и методики исследований 37
3. Разработка научных основ получения тампонажных систем с конденсированными в поровом пространстве гелями гидроксидов поливалентных металлов и принципы управления технологическими
характеристиками тампонажных растворов 49
3.1. Исследование неорганических коллоидных гидрогелевых новообразований, конденсированных в поровом пространстве тампонажных суспензий 49
3.2. Исследование влияния гидрогелевых систем на основе солей поливалентных металлов на свойства суспензий основных минералов тампонажных цементов 65
3.2.1. Влияние солей поливалентных металлов на свойства суспензий трехкальциевого алюмината 67
3.2.2. Суспензии четырехкальциевого алюмоферрита с добавкам солей поливалентных металлов 68
3.2.3. Влияние солевой обработки на суспензии трехкальциевого силиката 70
Промысловый опыт использования тампонажных материалов и технологий 213
Основные выводы и рекомендации
Список использованных источников
Основные обозначения и сокращения, принятые
в диссертационной работе
- Причины нарушения герметичности крепи; технологические мероприятия, направленные на повышение качества крепления глубоких скважин
- Особенности процесса структурообразования дисперсных систем и регулирование изоляционных характеристик тампонажных материалов
- Исследование влияния гидрогелевых систем на основе солей поливалентных металлов на свойства суспензий основных минералов тампонажных цементов
- Суспензии четырехкальциевого алюмоферрита с добавкам солей поливалентных металлов
Причины нарушения герметичности крепи; технологические мероприятия, направленные на повышение качества крепления глубоких скважин
Важнейшим фактором, влияющим на создание герметичного затрубного пространства скважины, является достижение максимально полного замещения бурового раствора тампонажным [18, 25-27, 116, 131, 169]. Поэтому не случайно вопросам вытеснения бурового раствора тампонажным посвящены многочисленные работы отечественных и зарубежных исследователей [2, 17, 18,25,26,30,32,33,47,64,76,77,79,87,98, 104, 111, 116, 133, 155, 162, 167, 169, 170, 173, 178], в которых экспериментально и теоретически установлено, что наилучшее вытеснение достигается либо при развитом турбулентном, либо при структурном ("пробковом") режимах.
Полноту заполнения затрубного пространства скважины (или полноту замещения бурового раствора тампонажным) оценивают коэффициентом вытеснения (замещения), под которым понимают отношение объема тампонажного раствора, поступившего в некоторый интервал цементирования или во все за-трубное пространство, к геометрическому объему этого интервала или к объему всего затрубного пространства скважины [18, 25, 26, 131].
Еще в 60-е годы А.Х. Мирзаджанзаде указал на нецелесообразность увеличения скорости вытеснения в пределах структурного режима течения [47].
На достижение высоких значений коэффициента вытеснения при низких скоростях замещения при "пробковом" режиме указано в работах А.И. Булатова, Т.Е. Еременко, Д.Ю. Мочернюка, М.О. Ашрафьяна, А.Т. Кошелева, Г.К. Говарда, К.Р. Кларка, Р.Г. Маклина, В.В. Росса, П.Н. Паркера и др. [25, 26, 64, 111, 169, 170, 173].
Однако нельзя считать, что качественное замещение бурового раствора достигается только при структурном режиме вытеснения. Имеется достаточное число экспериментальных и промысловых данных, показывающих достижение качественного вытеснения бурового раствора и при турбулентном режиме течения [18, 19, 26, 131, 155, 179]. В настоящее время на практике в большинстве случаев стремятся либо достичь турбулентного течения тампонажного раствора в затрубном пространстве, либо приблизиться к нему.
По данным А.И. Булатова [26], для достижения развитого турбулентного режима при использовании стандартных цементных растворов необходимы скорости восходящего потока в затрубном пространстве более 7 м/с. В связи с этим в большинстве случаев турбулентный режим течения не достигается. Этому, в первую очередь, препятствуют недостаточная производительность цементировочного оборудования; значительное отклонение поперечного сечения ствола скважины от номинального, особенно в кавернозной части; коагу-ляционное загущение тампонажного раствора на контакте с промывочной жидкостью; загустевание тампонажного раствора в процессе цементирования и связанная с ним невозможность его турбулизации. Созданию турбулентного режима течения также препятствует наличие в разрезе ствола скважины поглощающих пластов, а также продуктивных пластов, склонных к загрязнению при существенном повышении гидродинамических сопротивлений [64]. В результате цементирование происходит, как правило, при переходных режимах с низкой степенью вытеснения [18, 19, 26, 64, 116, 131, 169].
Из этого следует необходимость проведения цементирования при структурном режиме вытеснения, т.е. при скорости потока в несколько раз меньшей, чем при турбулентном режиме. Такое цементирование с малыми скоростями вытеснения имеет ряд технических и экономических преимуществ, особенно характерных для цементирования глубоких и сверхглубоких скважин со значительными размерами заколонного пространства и протяженностью цементируемых обсадных колонн: - отклонение фактической скорости от расчетной, как правило, бывает в меньшую сторону, поэтому изменение режима течения не произойдет; - меньшая величина гидродинамических потерь и, вследствие этого, меньшая депрессия на продуктивный пласт; - меньшие требования к суммарной производительности и единичным мощностям цементировочной техники.
Однако малые скорости восходящего потока предъявляют особые требования к тампонажным растворам, в числе которых важнейшие: - значительно большее время сохранения прокачиваемости; - более высокие изоляционные характеристики (повышенные седимента-ционная и суффозионная устойчивость); - меньшая скорость водоотдачи; - более высокие реологические характеристики.
Скорость восходящего потока - не единственный фактор, определяющий качество вытеснения бурового раствора как при турбулентном режиме про-давливания, так и при структурном.
Кроме скорости потока, при прочих равных условиях, на качество замещения существенное влияние оказывают соотношение структурно-механических (реологических) характеристик и плотностей тампонажного и бурового растворов, положение обсадной колонны в скважине (эксцентриситет), угол наклона ствола скважины и т.д.
В работах [17, 18, 25, 26, 47, 111, 116, 170, 173] показано, что с ростом т02 и г]пл2 улучшается замещение бурового раствора из заколонного пространства увеличение То2 И ГПЛ2 в случае ламинарного режима течения приводит к значительному повышению коэффициента полноты замещения [26, 33, 39, 64, 173].
Исследования влияния вязкости на коэффициент вытеснения рассмотрены в работах [18, 26, 32, 33, 47, 65, 167, 173]. Р.Г. Маклин [170], а также В.В. Росс [173] на основании экспериментальных данных установили, что повышение Лпл2 улучшает вытеснение бурового раствора. При условии т0і = т02 в работах [18, 26, 32, 33, 47] А.Х. Мирзаджанзаде, А.И. Булатов, М.О. Ашрафьян, Р.Ф. Уханов и др. показывают, что повышение т\пп2 приводит к росту коэффициента полноты замещения. Если вытесняемая и вытесняющая жидкости текут
Особенности процесса структурообразования дисперсных систем и регулирование изоляционных характеристик тампонажных материалов
В качестве регуляторов структурно-механических и технологических свойств тампонажных растворов применяются высокодисперсные минеральные добавки [53, 57, 58, 59, 119, 138, 142, 143, 152]. Это связано с достаточными запасами, доступностью, а также незначительными расходами при их использовании. Наиболее широко применяются глинистые минералы, запасы которых составляют 4% от объема литосферы. В качестве добавок для уменьшения водоотдачи тампонажных растворов и повышения их седиментационной устойчивости ранее применялись высокодисперсные бентонитовые глины. В дальнейшем глины использовали как добавку, существенно снижающую плотность цементного раствора из-за их высокой водопотребности.
Седиментационная устойчивость цементно-глинистых суспензий обусловлена высокой дисперсностью частиц глинистых минералов в воде, особыми свойствами их поверхности и формы, высокой анизометричностью частиц, увеличивающей коэффициент формы каналов [53, 57, 58, 142, 143].
Введение большого количества высокодисперсного глинистого компо 22 нента неэффективно из-за необходимости повышения водосодержания суспензии, что, естественно, будет интенсифицировать фильтрационные процессы, а при ограничении водосодержания суспензии ухудшается его подвижность.
Повышение степени дисперсности твердой фазы суспензии путем введения высокодисперсных добавок бентонитовых глин приводит к увеличению количества физически связанной воды, т.е. к повышению коэффициента иммобилизованной воды за счет гидратации поверхности в результате адсорбции мономолекулярных слоев воды на базальных поверхностях кристаллов как наружных, так и межслоевых в случае гидратации глин с разбухающей решеткой. Вода, входящая в структуру кристалла, обладает квазикристаллическими свойствами. Так, при ее внедрении в структуру кристалла на расстояние до 10 нм от наружной поверхности несколько снижается ее удельный объем. На расстоянии 1 нм от поверхности кристалла вода имеет удельный объем, который примерно на 3% меньше удельного объема свободной воды [142, 143].
Кроме того, структурированная вода имеет повышенную вязкость по сравнению со свободной, несвязанной водой, что, в свою очередь, снижает се-диментационное осаждение частиц твердой фазы и связанное с ним суффози-онное каналообразование. Образующаяся стабилизированная цементно-бентонитовая суспензия имеет повышенную по отношению к чистому цементу первоначальную прочность структуры [119, 146[, с чем связан более высокий начальный показатель тампонирующей способности подобных растворов. Однако по мере протекания реакции гидролиза и гидратации и при значительном содержании глины выделяющийся гидроксид кальция вступает во взаимодействие с частицами гидратированной глины, вызывая их коагуляцию, замещение Na+ на Са"+ с уменьшением степени набухания частиц, и в результате повышая проницаемость системы [57, 142, 151]. Дальнейший процесс структуро-образования при недостаточном содержании SO2 в глине сопровождается деструктивными явлениями, которые наблюдаются на всех этапах твердения и усиливаются с повышением температуры. Указанные явления приводят к возникновению внутренних напряжений, и, следовательно, к снижению прочности цементного камня и его разрушению.
Кроме того, цементно-бентонитовые тампонажные растворы значительно уменьшаются в объеме в процессе схватывания и твердения, в результате чего в местах контакта цементного раствора-камня со стенками колонны и скважины (фильтрационной коркой) образуются зазоры, которые могут служить флюидопроводящими каналами [119].
Введение в тампонажный раствор палыгорскитовых глин (аттапульгита, сепиолита) приводит к образованию более прочной коагуляционной структуры. В таких растворах контракционный эффект менее заметен, чем в растворах с добавками монтмориллонитовых глин, а образующийся цементный камень более стоек в условиях повышенных температур. Это связано с особенностями строения кристаллической решетки, формой частиц и минеральным составом глин группы палыгорскита.
Однако следует отметить, что тампонажные растворы с добавками глин группы палыгорскита обладают повышенной водоотдачей и низкой седимен-тационной устойчивостью по сравнению с цементными растворами с добавками монтмориллонитовых (бентонитовых) глин.
Как известно, цементно-глинистые растворы можно приготовить двумя способами: затворением в воде предварительно приготовленной сухой смеси цемента и глинопорошка; затворением цементного порошка в заранее приготовленной и выдержанной необходимое время глинистой суспензии. Следует отметить, что при втором способе приготовления для достижения одинаковой седиментационной устойчивости раствора достаточно в 2-3 раза меньшее количество добавки, однако предварительно гидратированные глинистые минералы повышают исходную консистенцию и ускоряют загустевание тампонажного раствора еще на стадии его приготовления и закачки в скважину. Поэтому для повышения седиментационной устойчивости тампонажных материалов глину следует вводить в виде негидратированного порошка. Гидратируясь и диспергируясь в процессе затворения и цементирования, глинистые минералы связывают значительную часть свободной воды. Ускорение загустевания при введении бентонита в портландцемент в виде порошка наблюдается на более поздних стадиях и при высоких температурах.
Исследование влияния гидрогелевых систем на основе солей поливалентных металлов на свойства суспензий основных минералов тампонажных цементов
Таким образом, на технологические свойства тампонажных растворов, по-видимому, будет оказывать влияние комплекс факторов, которые необходимо учесть при изучении и исследовании действия солевых добавок на свойства клинкерных минералов тампонажных цементов, с тем, чтобы выявить закономерности действия солей поливалентных металлов на свойства тампонажных цементов с конкретным минералогическим и химическим составом.
Основные выводы по изучению и исследованию гелевых систем:
1. Рассматриваемые соли поливалентных металлов с продуктами гидролиза и гидратации тампонажного материала образуют нерастворимые коллоидно-дисперсные гелевые системы.
2. Гелевые системы, образуясь в поровом пространстве тампонажной суспензии, могут оказывать водоиммобилизующее и кольматирующее действие, понижая тем самым фильтрационные характеристики суспензии.
3. Гелевые системы обладают статическим напряжением сдвига, повышающимся во времени, и повышенной псевдотиксотропией, а их течение описывается реологической моделью Оствальда-де Ваале.
4. В процессе реакции образования гелевых систем выделяются не чистые гидроксиды металлов, а их смеси с оксигидроксидами, оксисолями. Сульфаты поливалентных металлов образуют вторую структурообразующую фазу в виде сульфатного геля - гипсового солегеля.
5. Путем подбора оптимальных соотношений различных солей поливалентных металлов может быть получена многокомпонентная гелевая система, более эффективно влияющая на фильтрационные свойства, регулирующая объемные изменения геля и, как следствие этого, изменяющая технологические параметры тампонажного раствора.
6. Свойства тампонажных растворов, содержащих гелевые системы, должны определяться следующими факторами: - параметрами структурной решетки гидроксида; - произведением растворимости гидроксида; - степенью амфотерности гидроксида; - дисперсностью гидроксида; - видом катиона, его зарядом и ионным радиусом; - видом аниона соли (в основном его структурообразующей и гидратационной способностью).
С целью установления закономерностей влияния солевых добавок на технологические свойства тампонажных растворов в задачи исследований входило выявление действия солей поливалентных металлов на основные минера лы, широко применяемых в настоящее время тампонажных цементов.
Процессы структурообразования и твердения основных клинкерных минералов тампонажных цементов в пресной и высокоминерализованной солевой средах изучались в работах B.C. Данюшевского, B.C. Бакшутова, И.А. Ве-дищева, Т.В. Кузнецовой, Ш.М. Рахимбаева, Н.Н. Круглицкого, Ф. Шмаль-фельда и др. [20, 36, 57, 85, 124, 143, 156].
Вопросы структурообразования и твердения суспензий искусственных клинкерных минералов с добавками рассматриваемых солей поливалентных металлов и их технологические (изоляционные) свойства до настоящего времени не изучались.
Физико-химическая теория структурообразования при твердении минеральных вяжущих веществ, разработанная П. А. Ребинд ером, основывается на преимущественно определяющей роли контактов срастания переплетающихся кристаллов гидратных новообразований. В соответствии с этим прочность структуры, в основном, определяется прочностью контактов срастания.
На основе этой теории П.А. Ребиндером и его школой разработаны способы управления структурообразованием гипса, оксида кальция и трехкаль-циевого алюмината. Величина эффективной вязкости (консистенции) определяется числом и прочностью контактов, образующихся в некоторый момент времени и разрушающихся в процессе перемешивания.
Если количество вновь образуемых контактов срастания превалирует над разрушаемыми, процесс структурообразования происходит с упрочнением структуры. Однако не всегда процесс гидратации вызывает загустевание - увеличение эффективной вязкости, - он также проходит при динамическом равновесии и со снижением консистенции во времени. Коагуляционное структу-рообразование в процессе гидратации, как правило, сопровождается тепловыделением и ростом консистенции. Это подтверждено Т.В. Кузнецовой, B.C. Данюшевским и И.А. Ведищевым при исследовании структурообразования суспензий чистых клинкерных минералов и суспензий, состоящих из смеси этих минералов с измельченным кварцем и гипсом [36, 57, 85].
Суспензии четырехкальциевого алюмоферрита с добавкам солей поливалентных металлов
В тоже время, при высоких температурах успешное регулирование сроков загустевания и схватывания требует введения значительного количества солевых добавок, приводящих к возрастанию начальной консистенции (растекае-мости) раствора, хотя при этом существенно улучшаются фильтрационные и изоляционные свойства тампонажных растворов.
Рассмотрим принципы регулирования технологических параметров тампонажных растворов с одновременным замедлением сроков загустевания и схватывания с помощью комплексных многофункциональных химических соединений, получаемых при взаимодействии фосфоновых комплексонов с некоторыми СПМ [91].
Процесс растворения веществ, как известно, сопровождается физико-химическим и химическим взаимодействием растворяемого вещества с молекулами растворителя (в нашем случае воды), а также молекулами растворяемых веществ, если жидкость затворения является многокомпонентной системой [38].
При растворении в воде фосфонового комплексона, например, нитрилот-риметилфосфоновой кислоты и соли переходного металла, состав, химические и структурные свойства продуктов реакции будут зависеть от соотношения компонентов, индивидуальных свойств НТФ и вида катиона переходного металла, входящего в состав соли.
В связи с этим, очевидно, что соотношение концентраций исходных веществ в жидкости затворения определяют наиболее эффективные условия применения проектируемых тампонажных систем.
В азоте НТФ, так же как и в молекуле аммиака, на внешнем энергетическом уровне имеется свободная электронная пара, которая легко может переходить на свободные энергетические уровни атомов, например, переходных металлов с образованием донорно-акцепторной (координационной) связи. Этот переход со стороны азота не затруднен ни энергетическими, ни структурными факторами.
С другой стороны, некоторые катионы переходных металлов, например, 94- 94 цинка (Zn ), меди (Си ) и других, образуемые при растворении их солей в воде в результате электролитической диссоциации, имеют свободные орбитали на предвнешнем и внешнем энергетическом уровнях (Cu2+ - 3d4s4p-,
Zn - 48р4с1-подуровни), которые также легко предоставляются для размещения электронной пары любого донора электронов. Следовательно, катионы 94- 94 цинка (Zn ) и меди (Си ) с НТФ могут образовывать донорно-акцепторные (координационные) связи с образованием комплексных (клешневидных) коор динационных соединений с более прочной энергетически и развитой про странственной структурой, а также повышенной адсорбционной способно стью. Состав и свойства образующихся комплексных соединений будут опре деляться координационным числом центрального иона комплексообразователя [38].
Для ионов цинка и меди координационные числа в комплексах с азотом НТФ могут изменяться от 3 до 5. В связи с этим в водных растворах при взаимодействии, например, ZnSC 4 и НТФ могут образоваться комплексные соединения следующего состава (без учета электролитической диссоциации):
Все вышеперечисленные комплексные соединения в растворах существуют одновременно в соотношениях, определяемых количеством добавленной в воду затворения соли цинка и НТФ. Во всех случаях, как видно из формул, заряд комплексного катиона один и тот же и равен +2, поэтому комплексные катионы в отличие от НТФ блокируют на поверхности цементной частицы электронодонорные активные центры, снижая тем самым их гидратационную активность.
Поскольку процессы растворения веществ неразрывно связаны с их диссоциацией, то с учетом полной электролитической диссоциации НТФ заряд комплексного иона изменяется, и в растворе образуются комплексные кислоты следующих составов: с еще более развитой пространственной структурой и ионной природой адсорбции. Комплексные анионы кислоты блокируют электроноакцепторные активные центры поверхности цементного клинкера, которые, в основном, характеризуют природу цементной частицы. Кроме того, как известно, ионная адсорбция необратима, а повышение температуры приводит к усилению ионной адсорбции, что указывает на наличие не только сил молекулярного сцепления между адсорбентом и ионами, но и - химических связей. Следовательно, ионную адсорбцию продуктов диссоциации на поверхности цементной частицы можно представить как химическую реакцию в поверхностном слое частицы, а состав внутренних слоев твердой фазы не изменяется благодаря прочной адсорбционной оболочке, чем достигается эффективное замедление загустева-ния и схватывания тампонажных растворов при высоких температурах.
В отличие от НТФ, молекула вновь образованного комплекса имеет строение квадрата, на каждой из четырех сторон которого располагаются по три функциональные фосфоновые группировки. При адсорбции комплекса на поверхности положительно заряженной частицы цементного клинкера может быть реализована наиболее прочная связь, возникающая между частицей и фосфоновыми функциональными группами.
