Разработка порошкообразных смесей и технологии цементирования скважин в условиях низких пластовых давлений
На правах рукописи
САМСОНЕНКО Александр Владимирович
РАЗРАБОТКА ПОРОШКООБРАЗНЫХ СМЕСЕЙ
И ТЕХНОЛОГИИ ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ СКВАЖИН
В УСЛОВИЯХ НИЗКИХ ПЛАСТОВЫХ ДАВЛЕНИЙ
Специальность 25.00.15
Технология бурения и освоения скважин
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва – 2011
Работа выполнена в Открытом акционерном обществе
«Научно-производственное объединение «Буровая техника»
| Научный руководитель: Официальные оппоненты: | доктор технических наук Симонянц Сергей Липаритович доктор технических наук Нифантов Виктор Иванович кандидат технических наук Следков Владимир Владимирович |
Ведущая организация: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Тюменский государственный нефтегазовый университет»
Защита состоится « 28 » октября 2011 г. в 11-00 часов на заседании диссертационного совета Д-520.027.01 при ОАО НПО «Буровая техника» по адресу: 115114, Москва, Летниковская ул., д. 9.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО НПО «Буровая техника».
Автореферат разослан « 5 » сентября 2011 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
доктор технических наук Д.Ф. Балденко
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Цементирование является одним из основных, наиболее сложных и ответственных технологических процессов в цикле строительства скважин и от его качества зависит дальнейшее использование объектов по прямому назначению. Особую актуальность проблема повышения качества цементирования скважин приобретает в условиях низких пластовых давлений и при давлениях в продуктивных пластах, близких к гидростатическим, т.к. низкопроницаемые поровые, трещинно-поровые и трещинные коллекторы подвергаются сильному загрязнению (кольматации) фильтратами буферных и тампонажных растворов, а также самими растворами. В этой связи, создание инновационной технологии цементирования скважин, основанной на разработке новых порошкообразных многокомпонентных смесей полностью заводского изготовления и направленной на снижение трудовых, материальных и энергетических затрат, на повышение эффективности, качества, надежности и долговечности строящихся скважин, на максимальное сохранение природных коллекторских свойств продуктивных пластов, имеет важное научное и практическое значение.
Цель работы. Повышение эффективности и качества цементирования скважин в условиях низких пластовых давлений путем разработки новых высокоэффективных многокомпонентных порошкообразных смесей полностью заводского изготовления и соответствующей инновационной технологии.
Задачи исследований.
- Анализ и теоретическое обобщение современного состояния проблемы цементирования нефтегазовых скважин.
- Разработка компонентных составов новых порошкообразных смесей полностью заводского изготовления, позволяющих приготавливать высококачественные аэрированные буферные растворы с пониженным водоотделением, высокой седиментационной устойчивостью, упругостью, удерживающей, выносной и эрозионной способностью, совместимостью с различными химически обработанными буровыми растворами. Исследование их структурно-технологических и фильтрационных свойств.
- Разработка компонентных составов новых порошкообразных смесей полностью заводского изготовления для приготовления высококачественных седиментационно-устойчивых аэрированных тампонажных растворов с пониженным водоотделением, образующих эластичные газоводонепроницаемые камни с большим расширением. Исследование структурно-технологических и фильтрационных свойств тампонажных растворов и физико-механических параметров образующихся камней.
- Разработка инновационной технологии цементирования скважин при сохранении природных коллекторских свойств продуктивных пластов, особенно с низкопроницаемыми поровыми, трещинно-поровыми и трещинными коллекторами.
- Проведение промысловых испытаний разработанных новых многокомпонентных порошкообразных смесей и инновационной технологии цементирования.
Научная новизна.
- На основании теоретических исследований разработаны компонентные составы новых порошкообразных смесей полностью заводского изготовления для приготовления высококачественных аэрированных эрозионных буферных и тампонажных растворов.
- Установлено, что для разных по химическому составу глин существует весьма узкий температурный и временной интервал термообработки, при котором полученный продукт образует структуру в процессе гидратации.
- Установлено, что эрозионное свойство буферного раствора проявляется при грубом помоле продукта термообработки алюмосиликата (глины) и больших массах его применения.
- Показано, что при невысоких давлениях и температурах до +300С аэрированные растворы сжимаются до плотности не аэрированных, а плотность образующегося камня превышает плотность раствора.
- При температурах выше 300С расширение аэрированных растворов имеет место даже при весьма высоких давлениях и существенно возрастает с повышением температуры, а плотность образующегося камня либо соответствует плотности раствора, либо оказывается ниже ее.
- Установлено, что хорошее (сплошное) сцепление тампонажного камня с обсадными колоннами и горными породами обеспечивается при использовании больших объемов эрозионного буферного и тампонажного раствора, образующего в ранние сроки твердения (до 1сут.) эластичный газоводонепроницаемый камень с большим расширением.
Практическая значимость работы.
- Разработаны эффективные компонентные составы новых порошкообразных смесей полностью заводского изготовления для приготовления высококачественных эрозионных буферных и тампонажных растворов, используемых в различных горно-геологических условиях цементирования скважин.
- Показано, что весьма важным сырьевым компонентом новых порошкообразных эрозионных буферных и тампонажных смесей является термически и механохимически активированный алюмосиликат (глина) разного химического состава.
- Установлено, что высокое качество тампонажных растворов обеспечивается при помоле продукта термообработки алюмосиликата (глины), до возможно большей удельной поверхности – (10-12% остатка на сите № 008).
- Разработана инновационная технология цементирования обсадных колонн, основанная на последовательном использовании совместимых по структурно-технологическим и фильтрационным свойствам эрозионного буферного и тампонажного растворов, обеспечивающих приствольную кольматацию проницаемых пластов основного ствола, призабойной зоны и продуктивного пласта.
- Указанная инновационная технология и ряд компонентных составов порошкообразных смесей защищены патентами РФ и организовано их заводское производство, согласно утвержденного ТУ 5739-002-14142287-2011 и гигиенического сертификата.
- Основные результаты диссертационной работы, полученные при непосредственном участии автора, внедрены в производство и нашли применение, как при проектировании, так и при практической реализации технологического процесса цементирования скважин на различных площадях нефтяных месторождений РФ (ОАО «Татнефть», ОАО «ТНК-ВР», ОАО «Славнефть-Мегионнефтегаз», ООО «ЛУКОЙЛ-Коми», ООО «ЛУКОЙЛ-Западная Сибирь», ООО «ЛУКОЙЛ-Пермь»).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-технических советах научно исследовательских и проектных институтов («ТатНИПИнефть» г. Бугульма, «СевкавНИПИгаз» г. Ставрополь, «ПермьНИПИнефть» г. Пермь, «КогалымНИПИнефть» г. Когалым, «ТюменНИИГипрогаз» г. Тюмень), нефтяных компаний (ОАО «Татнефть» г. Альметьевск, ОАО «Славнефть-Мегионнефтегаз» г. Мегион, ОАО «ЛУКОЙЛ» г. Москва), научно-технических конференциях Ассоциации буровых подрядчиков, г. Москва, Ученом совете ОАО НПО «Буровая техника» - ВНИИБТ, г. Москва.
Публикации. Основное содержание диссертации представлено в 15 печатных работах, в т.ч. в 11 статьях, опубликованных в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях из Перечня ВАК Минобрнауки РФ, и 4 патентах РФ на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованной литературы, включающего 182 наименования и приложений, изложена на 131 странице машинописного текста, содержит 5 рисунков и 17 таблиц.
Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам ООО «Вяжущее-Сервис» за плодотворное сотрудничество, ценные советы и помощь при работе над диссертацией.
Автор выражает признательность д.т.н., профессору Оганову Г.С., д.т.н., профессору А.М. Гусману и другим ведущим ученым ОАО НПО «Буровая техника» за конструктивные замечания и предложения в процессе предварительного обсуждения работы.
Особую признательность и благодарность автор выражает своему научному руководителю д.т.н. Симонянцу С.Л. за поддержку, наставления и помощь в процессе подготовки диссертации.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель и задачи работы, показаны научная новизна, практическая ценность и реализация результатов разработок в промышленности.
В первом разделе рассмотрено и проанализировано современное состояние проблемы цементирования скважин в условиях низких пластовых давлений, низкопроницаемых поровых, трещинно-поровых, трещинных коллекторов и при давлениях в продуктивных пластах, близких к гидростатическим.
Большой вклад в решение проблемы качественного цементирования скважин в указанных выше условиях внесли: Ф.А. Агзамов, А.В. Амиян, О.К. Ангелопуло, М.О. Ашрафьян, А.И. Булатов, В.И. Вяхирев, Р.А. Гасумов, А.Н. Гноевых, В.П. Детков, Н.Х. Каримов, В.М. Кравцов, В.И. Крылов, Ю.С. Кузнецов, А.К. Куксов, Е.Г. Леонов, В.Т. Лукьянов, М.Р. Мавлютов, В.Д. Малеванский, А.О. Межлумов, А.Х. Мирзаджанзаде, А.Е. Нижник, Б.А. Никитин, В.И. Нифантов, Д.Ф. Новохатский, В.П. Овчинников, П.В. Овчинников, Ю.М. Проселков, Ш.М. Рахимбаев, А.В. Рудницкий, А.А. Рябоконь, С.А. Рябоконь, Л.И. Рябова, В.И. Рябченко, А.А. Фролов, А.В. Черненко, З.З. Шарафутдинов, Н.М. Шерстнев, С.А. Ширин-Заде, Р.И. Щищенко, Boone D.E., Clark C.R., Mclean R.H., Peterson G., Sampson N.N., и многие другие исследователи. В то же время, усложняющиеся с каждым годом условия цементирования обсадных колонн на истощенных площадях и при освоении новых месторождений, требуют применения материалов и технологий, адекватных изменившимся условиям.
В настоящее время при подготовке стволов скважин к цементированию преимущественное распространение получили маловязкие легкоподвижные буферные жидкости, такие как: вода техническая, вода, обработанная ПАВ и иными химическими реагентами, эрозионная водопесчанная суспензия, аэрированная эрозионная жидкость на основе портландцемента, порошкообразные моющие жидкости и др., приготавливаемые непосредственно перед применением на буровой.
Маловязкие легкоподвижные буферные жидкости на водной основе, при нагнетании в цементируемую обсадную колонну и продавке в заколонное пространство, значительно разбавляют высококачественный буровой раствор в зоне контакта и на протяженном интервале заколонного пространства, что приводит к повышению проникновения в проницаемые пласты основного ствола, призабойной зоны и продуктивного пласта больших объемов фильтрата и разбавленного бурового раствора. В этой связи применение высококачественных буровых растворов с низкой фильтрацией теряет смысл. К тому же вышеуказанные буферные жидкости, за исключением аэрированных эрозионных и, в некоторой степени, порошкообразных моющих, не обладают кольматирующей способностью, а использование портландцемента в их компонентных составах вызывает «сваривание» химически обработанных буровых растворов в зоне контакта.
В практике цементирования скважин основное внимание обращается на контакт тампонажного камня с обсадной колонной и породой. Стремление повсеместно получить хороший (сплошной) контакт с обсадной колонной и породой нередко отрицательно влияет на сохранение природных коллекторских свойств продуктивных пластов.
Широко, а практически повсеместно, применяемые портландцементные растворы высокой плотности, при высоких гидродинамических давлениях продавки в заколонное пространство, обладают повышенной фильтрацией жидкости затворения в проницаемые пласты пород, в том числе в продуктивные пласты. В результате взаимодействия фильтратов портландцементных растворов с фильтратами буровых растворов и пластовыми жидкостями возможна частичная либо полная (необратимая) кольматация пор проницаемых пластов продуктами кристаллизации. При проникновении портландцементного раствора в трещины продуктивного пласта проницаемость последнего резко сокращается и практически не восстанавливается.
Использование повышенных водосмесевых отношений при приготовлении портландцементных растворов для безопасного транспортирования в заколонном пространстве приводит к сильному обезвоживанию их в проницаемых породах за весьма короткое время и к существенному росту структурно-технологических параметров, значительно влияющих на газопропускную способность образующихся камней. Кроме того, интенсивная фильтрация жидкости затворения за короткий промежуток времени и усадка приводят к возникновению размывов полупроницаемой перегородки (корки), разрывов сплошности столбов твердеющих портландцементных растворов с образованием разнообразных трещин и обезвоженных пустот сравнительно больших размеров.
В результате применяемые портландцементные тампонажные материалы и существующая технология цементирования скважин, а особенно в условиях низких пластовых давлений и низкопроницаемых поровых, трещино-поровых и трещинных коллекторов, обеспечивают их начальные дебиты в пределах 40-70% от потенциально возможных, а скважины длительное время работают с пониженными дебитами.
Для повышения качества цементирования скважин в вышеуказанных условиях необходимо разработать, изготовить, исследовать и внедрить в производство новые порошкообразные смеси полностью заводского изготовления, исключающие недостатки известных материалов, а также разработать, исследовать и внедрить в производство инновационную технологию цементирования скважин с использованием вышеуказанных порошкообразных смесей.
Второй раздел посвящен разработке компонентных составов новых порошкообразных смесей полностью заводского изготовления для приготовления эрозионных буферных растворов и исследованию их структурно-технологических и фильтрационных свойств. Весьма важным сырьевым компонентом при заводском изготовлении разнообразных порошкообразных смесей для приготовления эрозионных буферных растворов является термически и механохимически активированный алюмосиликат (глина) разного химического состава.
Термическая активация алюмосиликата (глины) производится при установленном в лаборатории оптимальном режиме, при котором алюмосиликат (глина) теряет всю свою воду (свободную, капиллярно, адсорбционно и химически связанную) и разлагается на высокоактивные оксиды щелочных (натрия, калия), щелочноземельных (кальция, магния) и других металлов и минералов. В случае использования алюмосиликата (глины) с высоким содержанием Al2O3 (полубоксита) оксидов алюминия образуется повышенное количество.
Механохимическая активация продукта термообработки алюмосиликата (глины) с использованием молотковой дробилки и шаровой мельницы, производится в режиме, при котором получается достаточно низкая удельная поверхность (грубый помол). При ситовом анализе 40-55% порошка – недиспергирующего «песка», должно оставаться на сите №008, обеспечивая тем самым эрозионную способность буферного раствора.
При гидратации высокоактивные оксиды металлов образуют щелочи (NaOH, KOH), а в щелочной среде химически устойчивые аморфные гидрогели [Ca(OH)2, Mg(OH)2, Fe(OH)2, Fe(OH)3, Al(OH)3] и соли кремниевой кислоты (nSiO2 mH2O), выпадающие в осадок в виде аморфного гидрогеля.
Аморфные гидрогели, обладая высокой реакционной способностью, обеспечивают высокую седиментационную устойчивость и пониженное водоотделение эрозионного буферного раствора, а взаимодействуя с активными центрами глинистых минералов, образуют на поверхности пород нерастворимые соединения, уменьшая тем самым степень их гидратации и набухания, т.е. проявляют ингибирующую и флокулирующую способности.
Введение в компонентный состав порошкообразной эрозионной буферной смеси порошкообразного воздухововлекающего компонента позволяет получать при приготовлении аэрированный эрозионный буферный раствор, обладающий совместимостью с химически обработанными буровыми растворами, пониженным водоотделением, упругостью, высокой седиментационной устойчивостью, удерживающей и выносной способностью, регулируемой в широком диапазоне плотностью, за счет изменения интенсивности и продолжительности гидродинамической активации (перемешивания), способностью повышать скорость движения в заколонном пространстве при снижении давления сверху составного столба растворов и осуществлять приствольную кольматацию проницаемых пластов основного ствола, а, главное, призабойной зоны и продуктивного пласта.
При температурах применения до 300С аэрированный эрозионный буферный раствор практически полностью сжимается под действием даже невысокого давления, а при температурах выше 300С расширяется. Расширение вызвано возникновением на границах раздела фаз (жидкость затворения – пузырьки воздуха) капиллярного (порового) давления. С повышением температуры расширение пузырьков воздуха возрастает, а соответственно повышается величина капиллярного (порового) давления, что способствует повышению кольматирующей способности аэрированного эрозионного буферного раствора.
Обладая высокой адсорбцией, пузырьки воздуха скапливаются (расклиниваются) в порах и трещинах проницаемой горной породы и способны выдерживать сколь угодно высокое гидродинамическое давление при продавке в заколонное пространство аэрированного эрозионного буферного раствора, предотвращая тем самым возможное его поглощение.
В результате выполненной работы получены компонентные составы новых порошкообразных эрозионных буферных смесей полностью заводского изготовления для приготовления недиспергирующих ингибирующих флокулирующих гидрогелевых буферных растворов базовой плотности и аэрированных, предназначенных для качественной подготовки заколонных и межколонных пространств скважин к цементированию при сохранении природных коллекторских свойств продуктивных пластов.
Новые порошкообразные эрозионные буферные смеси, образующие при затворении эрозионный буферный раствор базовой плотности и аэрированный, исследованы в лаборатории с использованием пресной жидкости затворения.
Результаты выполненного лабораторного исследования седиментационно-устойчивого аэрированного эрозионного буферного раствора с регулируемой плотностью и пониженным водоотделением представлены в таблице 1.
Таблица 1
| № п/п | Показатели аэрированного эрозионного буферного раствора | Значения показателей аэрированного эрозионного буферного раствора при перемешивании мешалкой | ||||
| 1 | Жидкость затворения | вода пресная | ||||
| 2 | Базовая плотность буферного раствора, кг/м3 | 1250 | 1300 | 1350 | 1400 | 1520 |
| 3 | Водосмесевое отношение, м3/т | 0,65 | 0,65 | 0,65 | 0,65 | 0,60 |
| 4 | Время перемешивания, мин | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 |
| 5 | Плотность аэрированного буферного раствора, кг/м3 | 1160 | 1140 | 1120 | 1090 | 1210 |
| 6 | Изменение плотности в результате аэрации буферного раствора, кг/м3 | 90 | 160 | 230 | 310 | 310 |
| 7 | Водоотделение раствора, мл | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 8 | Растекаемость раствора, мм | 200 | 200 | 210 | 220 | 230 |
Базовая плотность, получаемая при заданном лабораторией водосмесевом отношении и низкой интенсивности гидродинамической активации, необходима для осуществления реально временного контроля при приготовлении эрозионного буферного раствора на практике с использованием отечественного стандартного технологического оборудования – цементных емкостей – «чанков», емкостей осреднительных и др.
Для повышения качества подготовки заколонных пространств к цементированию в различных горно-геологических условиях структурно-технологические и фильтрационные свойства применяемого буферного раствора должны соответствовать структурно-технологическим и фильтрационным свойствам используемого бурового раствора. При этом условии весьма важно, чтобы плотность и вязкость буферного раствора несколько превышали плотность и вязкость бурового раствора.
Третий раздел посвящен разработке компонентных составов новых порошкообразных смесей полностью заводского изготовления для приготовления седиментационно-устойчивых тампонажных растворов с пониженным водоотделением, образующих эластичные газоводонепроницаемые камни с большим расширением, а также исследованию их структурно-технологических, фильтрационных свойств и физико-механических параметров камней.
Разработанные и запатентованные при участии автора компонентные составы новых порошкообразных смесей включают бездобавочный тампонажный портландцемент, продукт термической и механохимической активации алюмосиликата (глины), порошкообразные корректирующие добавки, порошкообразный воздухововлекающий компонент и химические реагенты – регуляторы водоотделения, технологических свойств растворов и физико-механических параметров камней.
При гидратации бездобавочного тампонажного портландцемента образуются гидросиликаты, гидроалюминаты, гидросульфоалюминаты и гидросульфоферриты кальция разных форм, а также выделяется аморфный гидрогель Ca(OH)2.
Аморфные гидрогели металлов, корректирующих добавок и гели солей кремниевой кислоты, взаимодействуя между собой и вступая во взаимодействие с продуктами гидратации бездобавочного тампонажного портландцемента, а в первую очередь с Ca(OH)2, образуют гидросиликаты, гидроалюминаты, гидросульфоалюминаты, гидросульфоферриты и другие новообразования кальция, т.е. те же самые новообразования, которые возникают при гидратации бездобавочного портландцемента, но значительно более активные.
В связи с появлением дополнительного количества высокоактивных новообразований химически связывается большое количество жидкости затворения, снижается водоотделение тампонажного раствора, а также возникает расширение образующегося тампонажного камня на ранних стадиях твердения (до 1сут.) за счет превышения на 30 – 120% объема продуктов гидратации - новообразований, над объемом исходных оксидов и кристаллогидратов. При повышении температуры гидратации объем возникших аморфных гидрогелей и новообразований существенно возрастает, а их ускоренная кристаллизация приводит к сокращению сроков загустевания и схватывания тампонажного раствора и значительному повышению расширения образующегося камня при некотором понижении его ранней прочности.
Избыточный объем аморфных гидрогелей металлов, корректирующих добавок и гелевидных солей кремниевой кислоты связывает в новообразования Ca(OH)2, выделяющуюся при гидратации тампонажного портландцемента на поздних стадиях твердения. С увеличением времени твердения суммарная пористость тампонажного камня снижается и он становится плотнее, а за счет роста объема мелких и ультрамелких пор значительно понижается либо устраняется его газоводопроницаемость.
Введение в компонентный состав порошкообразной тампонажной смеси порошкообразного воздухововлекающего компонента приводит к получению при приготовлении аэрированного тампонажного раствора, обладающего совместимостью с аэрированным буферным раствором, упругостью, высокой седиментационной устойчивостью, удерживающей и выносной способностью, регулируемой в широком диапазоне плотностью, за счет изменения интенсивности и продолжительности гидродинамической активации (перемешивания). Появляется способность повышать скорость движения в заколонном пространстве при снижении давления сверху составного столба растворов и осуществлять либо усиливать приствольную кольматацию проницаемых пластов основного ствола, призабойной зоны и продуктивного пласта.
Помимо вышеуказанного, порошкообразный воздухововлекающий поверхностно-активный компонент, адсорбируясь на кристаллических зародышах аморфных гидрогелей, препятствует их росту, а, следовательно, растворению высокоактивных оксидов, что приводит к удлинению сроков загустевания и схватывания аэрированного тампонажного раствора.
В результате выполненной работы получены многокомпонентные составы новых порошкообразных тампонажных смесей полностью заводского изготовления для использования в условиях низких (до 200С), нормальных (21-500С) и умеренных температур (51-1000С), различающиеся между собой лишь процентным содержанием компонентов.
Новые порошкообразные тампонажные смеси, образующие при приготовлении седиментационно-устойчивые тампонажные растворы базовой плотности и аэрированные с пониженным водоотделением и эластичные газоводонепроницаемые камни с большим расширением, исследованы в лаборатории с использованием пресной жидкости затворения.
Результаты лабораторного исследования аэрированного тампонажного раствора, полученного при применении пресной жидкости затворения, представлены в таблице 2.
Таблица 2
| № п\п | Показатели аэрированного тампонажного раствора и образующегося камня | Значения показателей при перемешивании мешалкой | ||
| 1 | Водосмесевое отношение | 0,65 | 0,7 | |
| 2 | Время перемешивания, мин | 3 | ||
| 3 | Плотность аэрированного раствора, кг/м3 | 1500 | 1360 | |
| 4 | Растекаемость аэрированного раствора, мм | 240 | 240 | |
| 5 | Водоотделение аэрированного раствора, мл | 0 | 0 | |
| 6 | Выход аэрированного раствора, м3/т | 1,1 | 1,3 | |
| 7 | Температура твердения аэрированного раствора, 0С | 75 | ||
| 8 | Начало загустевания аэрированного раствора при Р=0,1МПа | 4-50 | >5-00 | |
| 9 | Сроки схватывания аэрированного раствора, ч-мин | начало | 2-00 | 2-30 |
| конец | 2-30 | 3-10 | ||
| 10 | Плотность образующегося аэрированного камня, кг/м3 | 1490 | 1340 | |
| 11 | Прочность образующегося аэрированного камня на изгиб за 1 сут. твердения при Р=0,1МПа, МПа | 2,8 | 1,57 | |
| 12 | Расширение образующегося аэрированного камня за 1 сут. твердения при Р=0,1МПа, % | 12,8 | 12,4 | |
Исследование показало, что расширение образующегося аэрированного камня за 1сутки твердения при температуре 750С и давлении 0,1МПа весьма велико, но не может привести к его деструкции (растрескиванию) за счет кристаллизационных напряжений, так как в первые 3-4 ч после затворения предварительно расширяется аэрированный тампонажный раствор, а затем образуется камень с большим расширением. При высоких давлениях в скважинах величина расширения тампонажного камня существенно (в 2-3 раза) понижается, но остается при этом достаточно большой.
Проведенное лабораторное исследование образцов на коррозионную устойчивость позволяет с уверенностью заключить, что в условиях интенсивной сульфатной и магнезиальной коррозии, аэрированный тампонажный камень устойчив. Об этом свидетельствуют неуклонный набор прочности аэрированного камня с низким темпом в течение 6 месяцев (рис. 1) и отсутствие каких-либо изменений в его капиллярно-пористой структуре.
Рисунок 1. Изменение прочности аэрированного камня на изгиб
при хранении образцов в 10% растворе морской соли.
По истечении трех месяцев хранения образцов в коррозионной среде на наружной поверхности аэрированного тампонажного камня образовалась тонкая (1-1,5мм) высокопрочная газоводонепроницаемая корка – экран из мелкодисперсных продуктов коррозии, исключающая проникновение коррозионной среды вглубь камня. По истечении шести месяцев хранения образовавшаяся корка – экран, абсолютно не изменилась по толщине, что свидетельствует о ее газоводонепро-ницаемости и высокой устойчивости (рис. 2).
 1 сут. |  1 мес. |
 3 мес. |  6 мес. |
Рисунок 2. Поверхности излома образцов аэрированного тампонажного камня,
хранившихся в коррозионной среде.
Отсутствие в капиллярно-пористой структуре свободного (не связанного в новообразования) аморфного гидрогеля Ca(OH)2, способного выщелачиваться с образованием открытых пор и каналов, является основным условием высокой коррозионной устойчивости аэрированного тампонажного камня.
Аэрированный расширяющийся тампонажный раствор, обладающий высокой седиментационной устойчивостью, пониженным водоотделением, достаточно высокой растекаемостью и повышенной плотностью, относительно используемого буферного раствора, исключит перемешивание с последним в зоне контакта, обеспечит эффективное вытеснение буферного раствора и понизит гидродинамическое давление в заколонном пространстве при посадке продавочной пробки на упорное кольцо. При этом приствольная кольматация проницаемых пластов основного ствола, призабойной зоны и продуктивного пласта, образованная аэрированным буферным раствором, будет сохранена, а возможно, и усилена.
Четвертый раздел посвящен разработке инновационной технологии цементирования скважин в условиях низких пластовых давлений при сохранении природных коллекторских свойств продуктивных пластов.
Сущность разработанной и запатентованной инновационной технологии состоит в том, что все обсадные колонны предлагается цементировать в один прием, исключив, где это допустимо, использование устройств ступенчатого цементирования, а расчет возникающих в процессе продавки давлений в заколонном пространстве производить с использованием базовых плотностей буферного и тампонажных растворов. Кроме того, инновационная технология позволяет целенаправленно формировать составной столб растворов в заколонном и межколонном пространствах цементируемых скважин.
Для качественной подготовки заколонного и межколонного пространств к цементированию рекомендуется использовать максимально большую (не менее 10т) массу порошкообразной эрозионной буферной смеси, из которой приготавливается, при заданном лабораторией водосмесевом отношении, более 10м3 аэрированного седиментационно-устойчивого упругого эрозионного буферного раствора.
Приготовление аэрированного эрозионного буферного раствора производится с использованием технологического оборудования, обеспечивающего регулируемую интенсивность гидродинамической активации (перемешивания). Приготовленный при низкой интенсивности гидродинамической активации частично аэрированный эрозионный буферный раствор базовой плотности, перекачивается в емкость осреднительную, где, в результате дополнительной гидродинамической активации разной интенсивности, обеспечивается регулируемая повышенная аэрация эрозионного буферного раствора. За счет воздухововлечения обеспечивается значительное понижение его плотности относительно базовой плотности.
Нагнетаемый в цементируемую обсадную колонну аэрированный эрозионный буферный раствор низкой плотности практически полностью сжимается до базовой плотности даже при невысоких давлениях нагнетания, а при продавке в заколонное и межколонное пространства распределяется естественным путем в соответствии с гидравлическим давлением сверху. В нижней части зако- лонного пространства плотность раствора будет повышаться и приближаться к базовой, а в верхней части – понижаться и приближаться к плотности в емкости осреднительной. При этом гидродинамическое и гидростатическое давления составного столба на проницаемые пласты основного ствола, призабойной зоны и продуктивного пласта окажутся значительно пониженными, что исключит их гидроразрыв даже при больших расходах и соответственно высоких скоростях движения растворов в заколонном пространстве скважины при продавке.
Аналогичным образом ведут себя при приготовлении, нагнетании в цементируемую обсадную колонну и продавке в заколонное и межколонное пространства аэрированные тампонажные растворы.
В пятом разделе приведены результаты практического применения разработанных порошкообразных эрозионной буферной и тампонажных смесей и инновационной технологии цементирования обсадных колонн в разных горно-геологических условиях.
Апробация вышеуказанных порошкообразных смесей и инновационной технологии успешно осуществлена при цементировании более 80-ти обсадных колонн на площадях ОАО «Татнефть», ОАО «ТНК-ВР», ОАО «Славнефть-Мегионнефтегаз», ОАО НК «ЛУКОЙЛ».
В ОАО «Татнефть» верхние интервалы подавляющего большинства площадей имеют проницаемые пласты, в которых, практически повсеместно, возникали частичные и катастрофические поглощения всех применявшихся ранее тампонажных растворов. При недоподъемах тампонажные растворы приходилось доливать в скважины через устье. Использование разработанных порошкообразных тампонажных смесей полностью заводского изготовления позволило решить вышеуказанную проблему. Так, при цементировании верхних интервалов более тридцати эксплуатационных обсадных колонн был обеспечен подъем тампонажных растворов до устья при хорошем качестве цементирования.
Разработанные порошкообразные эрозионные буферные и тампонажные смеси и инновационная технология были применены при цементировании кондукторов, промежуточных и эксплуатационных обсадных колонн в один прием, при исключении УСЦ, на площадях Оренбургской области. Несмотря на сложные горно-геологические условия, повсеместно обеспечен подъем тампонажных растворов до устья и успешно зацементировано более сорока различных обсадных колонн при хорошем качестве цементирования.
При цементировании нижнего интервала эксплуатационной обсадной колонны 146 мм на Узунской площади ОАО «Славнефть-Мегионнефтегаз» применялись аэрированный эрозионный буферный раствор с базовой плотностью 1530-1550 кг/м3 и облегченный аэрированный тампонажный раствор с базовой плотностью 1570 кг/м3. Несмотря на образование против продуктивного пласта тампонажного камня с интегральной плотностью 1500 кг/м3, радиоактивная и акустическая цементометрии показали хорошее качество цементирования призабойной зоны и продуктивного пласта.
Разработанные порошкообразные эрозионные буферные и тампонажные смеси апробированы при цементировании четырех кондукторов, семи эксплуатационных и двух промежуточных обсадных колонн на площадях ОАО НК «ЛУКОЙЛ».
Повсеместно обеспечен подъем аэрированных тампонажных растворов до устья, а качество цементирования существенно зависит от применяемых буровых растворов и жидкостей затворения. Если в буровом растворе и в жидкости затворения присутствуют нефть либо нефтепродукты, качество цементирования, как правило, ухудшается. При отсутствии нефти и нефтепродуктов сцепление тампонажного камня как с обсадными колоннами, так и с породами - повсеместно хорошее (сплошное).
Если учесть, что стоимость только одного УСЦ составляет порядка 300 тыс. рублей, то цементирование на площадях Оренбургской области всего лишь двенадцати промежуточных обсадных колонн в один прием, при исключении УСЦ, обеспечивает экономический эффект в размере 3,6 млн. рублей.
Производственная апробация показала, применение разработанных порошкообразных эрозионных буферных и тампонажных смесей полностью заводского изготовления и инновационной технологии цементирования, обеспечивает эффективную приствольную кольматацию пород в заколонном пространстве, что позволяет повсеместно поднимать тампонажные растворы до устья и сохранять природную проницаемость пород призабойной зоны и продуктивных пластов с пониженным пластовым давлением.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ
- В результате выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны и внедрены новые высокоэффективные порошкообразные эрозионные буферные и расширяющиеся тампонажные смеси полностью заводского изготовления и инновационная технология цементирования, обеспечивающие повышение эффективности и качества крепления нефтегазовых скважин при сохранении природных коллекторских свойств продуктивных пластов в условиях низких пластовых давлений.
- Показано, что основным компонентом новых порошкообразных эрозионных буферных и расширяющихся тампонажных смесей является продукт термической и механохимической активации алюмосиликата (глины) разного химического состава, обладающий структурными свойствами и образующий при гидратации щелочи, а в щелочной среде химически устойчивые аморфные гидрогели металлов и гелевидные соли кремниевой кислоты с высокой реакционной, ингибирующей и флокулирующей способностью.
- Установлено, что введение в компонентные составы порошкообразных эрозионных буферных и расширяющихся тампонажных смесей порошкообразного воздухововлекающего компонента приводит к получению аэрированных эрозионных буферных и расширяющихся тампонажных растворов, обладающих упругостью, высокой седиментационной устойчивостью, удерживающей и выносной способностью, регулируемой в широком диапазоне плотностью, за счет изменения интенсивности и продолжительности гидродинамической активации (перемешивания), высоким кольматирующим эффектом и совместимостью между собой.
- Установлено, что аморфные гидрогели металлов, корректирующих добавок и гелевидные соли кремниевой кислоты, химически взаимодействуя между собой и с продуктами гидратации бездобавочного тампонажного портландцемента, а прежде всего с Ca(OH)2, образуют те же новообразования, что и при гидратации бездобавочного тампонажного портландцемента, но процесс возникновения этих новообразований протекает весьма активно и завершается за несколько часов, а большой объем возникших новообразований приводит к понижению водоотделения, суммарной пористости, проницаемости и повышению коррозионной устойчивости тампонажного камня.
- Экспериментально доказано, что расширение образующегося аэрированного тампонажного камня за 1сут. твердения при температурах выше 300С и давлении 0,1 МПа велико, но не может привести к деструкции (растрескиванию) за счет кристаллизационных напряжений, т.к. в первые часы после затворения предварительно расширяется аэрированный тампонажный раствор, а затем образуется камень с большим расширением.
- Проведенное в течение полугода лабораторное исследование образцов аэрированного тампонажного камня на коррозионную устойчивость показало, что в условиях интенсивной сульфатной и магнезиальной коррозии он устойчив, т.к. на поверхности образуется тонкая (1-1,5 мм) высокопрочная газоводонепроницаемая корка – экран из мелкодисперсных продуктов коррозии, исключающая проникновение коррозионной среды вглубь камня.
- Разработанная и апробированная на практике инновационная технология цементирования обсадных колонн с последовательным использованием разработанных порошкообразных эрозионных буферных и расширяющихся тампонажных смесей полностью заводского изготовления, позволяющая осуществлять процесс цементирования в один прием, внедрена на различных месторождениях РФ при цементировании более 80-ти обсадных колонн.
Основные положения диссертации опубликованы в работах автора:
- Самсоненко А.В. Новый порошкообразный буферный материал для повышения качества подготовки стволов скважин к цементированию /Самсоненко А.В., Симонянц С.Л., Самсоненко Н.В. // Вестник ассоциации буровых подрядчиков, 2009.- № 4.- C.30-34.
- Самсоненко А.В. Требования к качеству тампонажных материалов для разных условий применения /Самсоненко А.В., Симонянц С.Л., Самсоненко Н.В.// Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море, 2009.- № 10.- C. 37-39.
- Самсоненко А.В. Новые тампонажные материалы для использования в условиях нормальных и умеренных температур/ Самсоненко А.В., Симонянц С.Л., Самсоненко Н.В.// Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море, 2009.- № 10.- C. 42-47.
- Самсоненко А.В. Результаты применения седиментационно-устойчивых тампонажных материалов в практике цементирования/ Самсоненко А.В., Симонянц С.Л., Самсоненко Н.В.// Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море, 2010.- № 12.- C. 29-32.
- Самсоненко А.В. Результаты применения новой технологии цементирования эксплуатационной колонны в условиях низкопроницаемых пород призабойной зоны и продуктивного пласта / Самсоненко А.В., Симонянц С.Л., Двукраев К.С. [и др.]// Вестник ассоциации буровых подрядчиков, 2010.-№4.-С.32-36.
- Самсоненко А.В. Результаты исследования коррозионной устойчивости тампонажного камня в агрессивных средах/ Самсоненко А.В., Симонянц С.Л., Двукраев К.С. [и др.] // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море, 2011.- №1.- С.41-43.
- Самсоненко А.В. Пути повышения качества заканчивания скважин в условиях сложно построенных залежей с низкопроницаемыми коллекторами/ Самсоненко А.В., Симонянц С.Л., Двукраев К.С. [и др.]// Вестник ассоциации буровых подрядчиков, 2011.- № 1.- С.41-43.
- Самсоненко А.В. Влияние водоотдачи буферного и тампонажного растворов на качество цементирования скважин /Самсоненко А.В., Симонянц С.Л., Двукраев К.С. [и др.]// Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море, 2011.- №2.- С.26-30.
- Самсоненко А.В. Новый порошкообразный расширяющийся тампонажный материал для низких температур /Самсоненко А.В., Симонянц С.Л., Двукраев К.С. [и др.] // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море, 2011.- № 2.- С.35-38.
- Самсоненко А.В. Результаты применения новых порошкообразных материалов при цементировании обсадных колонн на площадях Пермского края /Вестник ассоциации буровых подрядчиков, 2011.- № 2.- С.26-29.
- Самсоненко А.В. Опыт применения новых материалов и инновационной технологии цементирования эксплуатационной колонны 168 мм на Харьягинском месторождении /Самсоненко А.В., Симонянц С.Л., Двукраев К.С. [и др.]// Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море, 2011.- № 5.- С.31-34.
- Патент №2324721 Российская федерация, МПК С09К 8/40. Сухая смесь для буферного раствора / Самсоненко А.В., Самсоненко Н.В., Самсоненко В.И., Двукраев К.С., Мутовкин А.В., Самсоненко И.В. (Россия).- № 2006125984/03; заявл. 19.07.2006, опубл. 20.05.2008, Бюл.№14.
- Патент №2380392 Российская федерация, МПК С09К 8/467. Расширяющийся тампонажный материал / Самсоненко Н.В., Самсоненко А.В., Самсоненко И.В., (Россия).- № 2007140579/03; заявл. 02.11.2007, опубл. 27.01.2010, Бюл.№3.
- Патент РФ №2401292 Российская федерация, МПК С09К 8/467. Расширяющийся тампонажный материал с регулируемой плотностью раствора / Самсоненко Н.В., Самсоненко А.В., Мутовкин А.В., [и др.] (Россия).- № 2006125985/03; заявл. 19.07.2006, опубл. 10.10.2010, Бюл.№.28.
- Патент РФ № 2369722 Российская федерация, МПК Е21В 33/138, С09К 8/467, С09К 8/40. Способ цементирования скважин / Самсоненко Н.В., Самсоненко А.В., Самсоненко И.В., [и др.] (Россия).- № 2007139991/03; заявл. 30.10.2007, опубл. 10.10.2009, Бюл.№28.
