Заканчивание дополнительных стволов нефтедобывающих скважин
..pdf–отсутствие влияния на сроки схватывания тампонажного раствора;
–минимальное вспенивание;
–низкая стоимость и не дефицитность материалов;
–экологическая безопасность применяемых материалов.
Сохранение прочности получаемого цементного камня не
ниже требований ГОСТ
Во многих случаях величина предела прочности цементного камня, указанная в ГОСТ, ничем не обоснована. Однако следует помнить, что прочность является интегральным показателем качества цементного камня и может косвенно характеризовать его пористость, проницаемость и другие показатели. Поэтому требование о сохранении прочности камня вполне правомерно.
Сохранение безусадочности цементного камня
Как правило, усадка цементного камня связана с контракцией, которая зависит от степени гидратации. К сожалению, тампонажные растворы, обработанные большинством высокомолекулярных реагентов, имеют увеличенную усадку по сравнению с чистыми тампонажными растворами из-за того, что силы, связывающие воду с высокомолекулярными полимерами, значительно слабее капиллярных сил внутри цементного камня. В результате происходит «высушивание» полимеров, уменьшение их объема, приводящее к усадке цементного камня.
Сохранение контакта цементного камня с обсадной колонной и горными породами
Ухудшение данного показателя чаще всего становится следствием явления контракции и усадки цементного камня. Важность данного показателя трудно переоценить, поскольку происходит нарушение герметичности крепи скважин, и, вовторых, ухудшаются результаты цементирования по данным АКЦ, отрицательно сказывающиеся на деятельности буровых предприятий [85].
61
elib.pstu.ru
Ими показано, что надежная связь цементного камня с ограничивающими его поверхностями в заколонном пространстве может быть получена, если расширяющийся цемент в процессе структурообразования и твердения будет развивать давление на контакте цемент – труба, цемент-порода. По данным Каримова Н.Х. величина этого давления должна составлять не менее 2,5– 3,0 МПа. Сегодня существуют различные мнения о величине расширения тампонажных материалов. Одни исследователи ограничивают величину расширения пределами 0,5–1,5 %, другие рекомендуют применять цементы с величиной расширения до 20 %. Агзамов Ф.А. считает, что при отсутствии глинистой корки или небольшой ее толщине, расширение 1,5–2,0 % будет достаточно для обеспечения надежного контакта цементного камня. При этом специальные требования предъявляются к кинетике расширения тампонажного раствора и камня. Необходимо, чтобы основная часть расширения происходила после окончания продавки цементного раствора в заколонное пространство. Если же расширение происходит в процессе цементирования, то вполне очевидно, оно не окажет положительного влияния на качество крепления скважин. В то же время слишком позднее расширение после формирования жесткой кристаллической структуры цементного камня может оказать отрицательное влияние на изоляционные свойства цементного камня. В этом плане можно говорить об оптимальной кинетике расширения, зависящей от геолого-технических условий скважины.
Минимальное влияние на коллекторские свойства горных пород
В работе [90] было показано, что фильтрат цементных растворов крайне негативно влияет на коллекторские свойства продуктивных пластов. В этой связи очень важно, чтобы модифицирующие добавки не усугубляли отрицательные последствия проникновения фильтрата. Естественно, что степень ухудшения коллекторских свойств пластов будет зависеть и от глубины проникновения фильтрата, которую необходимо минимизиро-
62
elib.pstu.ru
вать. Очевидно, на нее будет влиять не только перепад давления между скважиной и пластом, длительность фильтрации, но и капиллярные силы, осмотические и другие процессы.
Низкая водоотдача тампонажных растворов, несомненно, играет важную роль в сохранении коллекторских свойств пластов. Поэтому целесообразноминимизировать это показатель [93].
Сохранение подвижности и прокачиваемости тампонажного раствора
Важный технологический параметр, поскольку часто ввод модифицирующих добавок сопровождается снижением растекаемости и прокачиваемости растворов. Естественно, что применение любого реагента должно сохранить подвижность раствора в пределах регламентированных ГОСТ. Прокачиваемость тампонажных растворов должна быть больше продолжительности операции цементирования во избежание осложнений, связанных с преждевременным загустеванием тампонажного раствора.
Обеспечение седиментационной и суффозионной устойчивости раствора
Очень важное требование, особенно при строительстве наклонных и горизонтальных скважин. Седиментационная устойчивость тампонажных растворов является одним из основных факторов, определяющих качество и надежность изоляционного комплекса скважины.
Водоотделение при седиментационном разделении раствора можно рассматривать как фильтрацию воды снизу вверх. Чем больше водоцементное отношение, плотность и размеры частиц твердой фазы, тем больше жидкости будет фильтроваться из нижних слоев в верхние, образуя фильтрационные каналы в затрубном пространстве.
В облегченных тампонажных суспензиях одновременно происходит оседание цементных частиц и всплывание частиц облегчающей добавки, то есть происходит прямая и обратная седиментация.
63
elib.pstu.ru
Восновном седиментационные процессы в тампонажных растворах происходят после доставки раствора в затрубное пространство. Чем дольше идет структурообразование, тем продолжительнее идут седиментационные процессы и тем больше опасность расслоения раствора и образования суффозионных каналов.
Вобщем случае седиментационную устойчивость облегченных тампонажных растворов можно регулировать:
– за счет уменьшения водосмесевого отношения и дисперсности твердой фазы;
– за счет повышения вязкости жидкости затворения;
– увеличением интенсивности и длительности перемешивания;
– созданием легких вяжущих материалов с одновременным применением жидкости затворения с повышенной плотностью;
– модифицированием поверхности облегчающих добавок с целью предотвращения их всплытия, а при применении микросфер – регулированием плотности и прочности твердой оболочки сферы;
– сокращением времени структурообразования цементного раствора, доведя его до минимума, то есть до начала седиментационных процессов структурообразование должно завершиться;
– применением армирующих добавок, формирующих каркас структуры твердеющего раствора.
Можно говорить о том, что процессы седиментации, суффозии и водоотдачи зависят от одних и тех же факторов, регулируются одними приемами и, часто, одними реагентами.
Однако следует учитывать, что в некоторых случаях низкая водоотдача не означает низкого водоотделения раствора. Особенно это относится к снижению водоотдачи за счет кольматации фильтра, корки или породы, поскольку количество воды в растворе и ее свойства остаются без изменений. Некоторые реагенты пластификаторы относят к понизителям водоотдачи [103]. Эффект в данном случае достигается снижением водоцементно-
64
elib.pstu.ru
го отношения, то есть уменьшением начального водосодержания в растворе. При сохранении исходного В/Ц будет получаться сильное расслоение растворов. Это одна из серьезных проблем при использовании комплексных реагентов компаундов (КРК), которые содержат в своем составе пластификатор.
Отсутствие влияния на сроки схватывания тампонажного раствора
Многие добавки, применяемые для регулирования свойств цементных растворов, адсорбируются на поверхности зерен цемента, блокируют их, ограничивая контакт с водой. Следствием этого становится замедление сроков схватывания растворов и длительное нахождение растворов в затрубном пространстве скважины в состоянии покоя. По мнению многих исследователей именно данный период является наиболее опасным с точки зрения возникновения затрубных проявлений. Поэтому оптимальным было бы максимальное сокращение периода между получением «стоп» и началом схватывания цементного раствора. Лучшим вариантом является действие добавки понизителя водоотдачи и в роли замедлителя твердения при закачке раствора, и в роли ускорителя твердения после получения «стоп».
Минимальное вспенивание
При закачивании цементного раствора в скважину необходимо обеспечить точность подсчета объема прокачиваемого раствора, а также бесперебойность работы насосов.
Серьезные последствия вызывает вспенивание раствора при его обработке различными химическими реагентами. При их больших дозировках во время приготовления цементного раствора часто образуется много пены, которая в значительной степени затрудняет работы, а главное – дает неверное представление об объеме закачанного раствора в скважину и его плотности.
Низкая стоимость и недефицитность материалов
С переходом на рыночные отношения данный показатель иногда может стать решающим при выборе реагентов.
65
elib.pstu.ru
Экологическая безопасность применяемых материалов
Очень важное требование, особенно в свете повышающихся требований к природоохранным мероприятиям.
На основе анализа материалов изложенных выше, коллективом исследователей ПНИПУ был разработан специальный расширяющийся тампонажный раствор для крепления хвостовиков дополнительных стволов скважин.
66
elib.pstu.ru
4. РАСШИРЯЮЩИЕСЯ ТАМПОНАЖНЫЕ СОСТАВЫ ДЛЯ КРЕПЛЕНИЯ ХВОСТОВИКОВ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ СТВОЛОВ СКВАЖИН
Основные требования к свойствам тампонажного раствора и получаемого из него камня
Для качественного цементирования хвостовиков дополнительных стволов скважин необходимо предъявлять к тампонажным материалам специфические технические требования:
–водосодержание в тампонажных растворах должно быть минимально допустимым;
–обладать повышенной гидравлической активностью;
–максимальный период прокачиваемости не менее двух часов при предельно сокращенных сроках схватывания, достаточный для продавливания тампонажного раствора в заколонное пространство скважин;
–быть седиментационно-устойчивыми без водоотделения, обладать высокой скоростью структурообразования, чтобы исключить появление водяных прослоев;
–расширение в процессе структурообразования для плотного контакта с обсадными колоннами и горной породой;
–минимальное тепловыделение при твердении цемента и низкая теплопроводность;
–тампонажный камень должен быть устойчивым к воздействию знакопеременных температур;
–тампонажный камень должен увеличивать сопротивляемость крепи скважин смятию.
–облегчающие добавки, входящие в состав тампонажного материала, должны обладать повышенной водоудерживающей и релаксационной способностью, оказывать закупоривающее действие на проницаемые пласты, что способствует подъему цемента до устья скважины [115].
67
elib.pstu.ru
Исследование физико-механических свойств тампонажных материалов осуществляется с применением стандартных, физи- ко-химических и специальных методов.
Стандартные исследования включают определение плотности тампонажных растворов, сроков схватывания, растекаемости, прочностных показателей тампонажного камня, водоотделения. Исследования проводятся в соответствии с ГОСТ
26798.1-96, ГОСТ 26798.2-96 и РД 9510-72-86.
Плотность тампонажного раствора определяется с помощью полевого ареометра АГ-2. Перед испытанием проверяют точность измерения. Для испытания приготавливают 400 см3 тампонажного раствора, заполняют им стакан ареометра и присоединяют шкалу-поплавок. Затем ареометр опускают в сосуд с водойипо шкале определяют плотность тампонажногораствора.
Растекаемость при заданной температуре определяют с помощью прибора-конуса АзНИИ. Для этого готовят 250 см3 тампонажного раствора, заливают в усеченный конус, установленный в центре столика-шкалы. После поднятия конуса определяют размеры расплыва цемента.
Сроки схватывания при заданной температуре и атмосферном давлении определяют с помощью прибора Вика. Способ измерения основан на периодическом измерении погружения в твердеющий тампонажный раствор иглы прибора под действием определенного веса. Приготавливают 300 см3 тампонажного раствора и заливают в кольцо прибора Вика. Первое погружение иглы в раствор производят через час после затворения раствора, а последующие – не реже чем через каждые 15 мин. Время, прошедшее от момента затворения до того момента, когда игла не доходит до дна формы с раствором на 1–2 мм, считается сроком начала схватывания, а время, прошедшее от момента затворения до момента, когда игла погружается в раствор не более чем на 1 мм, – сроком конца схватывания.
Прочность тампонажного камня на изгиб определяют с помощью гидравлического пресса. Исследуемый тампонажный
68
elib.pstu.ru
раствор заливают в формы для изготовления четырех образцов – балочек (40×40×160 мм). Для приготовления этих образцов готовят 1300 см3 тампонажного раствора. Образцы, предназначенные для определения прочности на изгиб при температурах 20 и 0 °С хранятся в воде, а при температурах минус 5 °С, – в воздушной среде холодильной камеры. Предел прочности на изгиб рассчитывается как среднее арифметическое из трех наибольших значений с точностью до ±0,1 МПа.
Прочность тампонажного камня на сжатие определяют при помощи гидравлического пресса, используя в качестве образцов половинки балочек, полученных после испытания на изгиб. Для передачи равномерной нагрузки на образец используют специальные стальные пластинки размером 20x25 мм.
Коэффициент водоотделения определяют следующим образом. Приготавливают 600 см3 тампонажного раствора, который заливают в два мерных цилиндра по 250 см3 каждый, выдержанных при соответствующей температуре, и оставляют в покое на 3 ч. Коэффициент водоотделения рассчитывается как отношение объема отделившейся жидкости, к объему залитого в цилиндр тампонажного раствора (250 см3). По результатам определения седиментационной устойчивости тампонажного раствора, полученных в двух цилиндрах, подсчитывают среднее арифметическое значение коэффициента водоотделения.
В группу специальных методов исследований входят изучение объемных изменений твердеющего тампонажного раствора и камня, определение упругих характеристик тампонажного камня.
Для измерения линейной деформации камня исследуемый тампонажный раствор заливают в три одинаковые цилиндрические толстостенные формы, установленные на измерительном столике. Верхнюю поверхность накрывают накладкой, в которую упирается стержень-толкатель индикатора часового типа с ценой деления 1,0 мкм. Величину деформации тампонажного
69
elib.pstu.ru
камня вычисляют как среднее арифметическое значение результатов трех опытов.
Для исследования изменения во времени модуля упругости и предела прочности цементного камня применяют неразрушающий ультразвуковой способ измерения прибором Chandler Модель 4262. Погрешность измерения времени распространения УЗК составляет ±0,06 %.
4.1. Расширяющийся облегченный тампонажный состав для крепления хвостовиков дополнительных стволов скважин
В настоящее время за рубежом (на северных месторождениях США и Канады) для цементирования хвостовиков боковых стволов в породах с низкими градиентами гидроразрыва пород используются облегченные тампонажные материалы «Поларсет1600» и «Поларсет-1 450», «Партек Пермавелл-1 600» и «Партек Пермавелл-1 450» соответствующей плотности на основе гипсоцементных смесей и облегчающей добавки. Гипсоцементная смесь содержит гипс, портландцемент, соответствующий требованиям АPI на цемент класса «G», диспергирующий агент (пластификатор) t-10 и замедлитель схватывания у-15. Дисперсный агент t-10 представляет собой органическое соединение, пластифицирующее цемент и не вызывающее существенное замедление схватывания или вспенивания, а у-15 запатентованную смесь, содержащую органические вещества, повышающие активность свободных ионов кальция в цементном тесте при пониженных температурах. Смесь «Партек Пермавелл» содержит в качестве облегчающей добавки стеклянные шарики. Повышение седиментационной устойчивости путем снижения В/Ц или увеличения содержания этих добавок приводит к ухудшению реологических свойств раствора и трещинообразованию в цементном камне [130, 133].
Однако использование названных тампонажных смесей для цементирования дополнительных стволов невозможно ввиду
70
elib.pstu.ru