Осложнения и аварии при строительстве нефтяных и газовых скважин

2.1.17. Тампонажные смеси и пасты для изоляции зон поглощений

Для изоляции зон поглощения в настоящее время широко применяют различные тампонажные смеси и пасты, получаемые на неорганической основе вяжущих материалов (гипсов, цемента), полимерных соединений, глинистого раствора с добавками наполнителей и химических реагентов.

Опыт борьбы с поглощением буровых и тампонажных растворов показывает, что успех изоляционных работ в большей степени зависит от свойств и качества применяемых тампонирующих смесей. Успех работ по перекрытию каналов ухода бурового и тампонажного растворов в пласте зависит от структурно-механических свойств тампонажных смесей, правильно подобранных рецептур и технологии доставки их в скважину (рис. 11).

Тампонажные смеси для изоляции зон поглощения

Рис. 11. Классификация тампонажных смесей для изоляции зон поглощений

К тампонажным смесям, применяемым для изоляции зон поглощения, предъявляют следующие требования [6]:

• тампонажная смесь должна обладать хорошей текучестью и сохранять ее в течение времени, необходимого для закачивания и продавки в каналы поглощающего пласта;

91

•плотность смеси должна быть близкой к плотности бурового раствора, что в меньшей степени нарушает равновесие в системе скважина – пласт;

•сроки схватывания, а также пластическая прочность смеси должны легко регулироваться; время начала схватывания смеси должно превышать время, необходимое для доставки смеси в намеченный интервал и продавливания ее в пласт, на 20–25 %;

•тампонажные смеси должны образовывать в порах и трещинах горных пород тампонажный камень или прочный тампон;

•при твердении (упрочнении) не давать усадки с образованием трещин и быть непроницаемыми для жидкостей и газов;

•проникать в поры и микротрещины при избыточном давлении, но в то же время не растекаться в трещинах под действием собственной массы;

•обладатьхорошей сцепляемостьюсостенкамитрещины(поры);

•обладать закупоривающей способностью вследствие изменения физико-механических свойств в процессе движения;

•быть устойчивыми к седиментации;

•не должны ухудшать свои изоляционные свойства при взаимодействии с пластовыми водами поглощающего горизонта;

•оказывать на тампонируемые породы закрепляющее действие;

•смесь должна сохранять стабильность при температуре и давлении в условиях в изолируемом горизонте;

•после закачки в зону поглощений смесь должна быстро схватиться и приобрести в минимальные сроки достаточную прочность (не менее 0,5–1,4 МПа при испытании образцов на сжатие через 8– 16 ч);

•смесь должна быть устойчивой к разбавлению пластовыми водами.

2.1.18. Свойства тампонажных смесей

Выбор тампонажных смесей производят по их структурно- меха-ническим и реологическим показателям:

• подвижности (консистенции);

92

•срокам схватывания;

•времени загустевания;

•водоудерживающей способности;

•плотности смеси и прочности образующегося камня. Подвижность тампонажной смеси определяет возможность ее

прокачивания в скважину. От степени подвижности смеси зависит величина гидравлических сопротивлений при прокачивании ее по стволу скважины и каналам поглощающего горизонта. Гидравлические сопротивления могут быть рассчитаны, если известны реологические параметры тампонажной смеси: пластическая вязкость , статическое θ и динамическое τ0 напряжение сдвига. Эти величины определяют с помощью капиллярного или ротационного вискозиметра.

При проведении изоляционных работ очень важно знать время, в течение которого тампонирующая смесь в условиях конкретной скважины сохраняет подвижность (прокачиваемость), и время, когда смесь превращается в камень. Скорость схватывания зависит:

•от состава и вида компонентов, а также их свойств;

•водосмесевого отношения;

•свойств жидкости затворения и наличия в ней химических реагентов;

•свойств флюидов, находящихся в изолируемом горизонте;

•температуры и давления в скважине.

Наиболее быстро тампонирующая смесь схватывается в состоянии покоя.

В статических условиях сроки схватывания определяют по методу Вика. Сроки загустевания и схватывания тампонирующих смесей в условиях заданных значений температуры и давления определяют в специальных установках [6].

Процесс схватывания тампонажной смеси, находящейся в движении, проявляется в увеличении динамического напряжения сдвига τ0 и пластической вязкости , что приводит к росту гидравлических сопротивлений в трубах и кольцевом пространстве и к росту давления на насосах. Это может привести к остановке агрегата и оставлению смеси в трубах.

93

Водоудерживающая способность тампонажной смеси характеризует, с одной стороны, ее устойчивость как дисперсной системы, а с другой – способность к образованию тампонов в трещинах в процессе водоотделения. Для некоторых видов тампонажных растворов и смесей (цементных) водоудерживающую способность надо повышать, так как будет возникать разделение смеси на твердую

ижидкую фазы. Седиментационная неустойчивость приводит к тому, что затвердевает только нижняя часть раствора или он вообще не схватывается. В других растворах, например глиноцементных, водоотделение нужно увеличивать. Такие растворы в процессе течения по каналам интенсивно отфильтровывают воду в пористые стенки, что сопровождается ростом реологических параметров

ипрекращением движения смеси. Остановка раствора в канале вызывает образование плотного тампона. Чем интенсивнее водоотделение, тем активнее протекают эти процессы. Показателем водоудерживающей способности тампонажной смеси является водоотдача. Водоотдачу определяют на приборах ВМ-6.

Плотность тампонажной смеси определяет гидростатическое давление в скважине. Замеряется плотность ареометром АГ-ЗПП.

Седиментационая устойчивость тампонажной смеси характеризуется коэффициентом водоотделения и измеряется в процентах. Определяется седиментационная устойчивость следующим обра-

зом. Исследуемый раствор наливают в два цилиндрических сосуда, имеющих мерные деления. Емкость сосудов по 250 см3. Смесь оставляют в покое на 3 ч. Затем по делениям на стенках сосудов определяют объемы жидкости, отделившейся от смеси. По результатам измерений вычисляют коэффициент водоотдачи в %:

Kв V1 V2 100 %,

V1

где V1 – первоначальный объем тампонажной смеси, см3;

V2 – объем осевшей тампонажной смеси, см3.

Раствор считают достаточно устойчивым, если коэффициент водоотделения не превышает 2,5 %.

94

Необходимо понимать, что создать тампонажные растворы и смеси, отвечающие всем требованиям, практически невозможно. Например, составы, не растекающиеся в каналах горных пород, плохо прокачиваются. Седиментационная устойчивость дисперсных тампонажных растворов и смесей с уменьшением содержания твердой фазы падает. Выполняя то или иное требование, необходимо следить за тем, в какой степени будут соблюдаться другие требования. Геолого-технические условия работ и конкретные условия в изолируемом горизонте обычно диктуют основные требования, а другие могут соблюдаться не столь строго.

Наиболее распространенным способом изоляции погло-

щающих горизонтов является нагнетание тампонажных смесей в естественные каналы. Тампонажная смесь должна прекратить свое движение в каналах пласта при их заполнении на некоторое расстояние от ствола скважины. Связь между структурномеханическими свойствами смеси, величиной раскрытия каналов в пласте и избыточным давлением в системе ствол скважины – пласт описывается следующей зависимостью [6]:

θ = Pr/a,

где θ – статическое напряжение сдвига, Па;

P – избыточное давление на поглощающий пласт, Па;

r – необходимая глубина проникновения тампонажной смеси в пласт, мм;

a – раскрытие каналов (диаметр канала, ширина трещины), мм. Наиболее простой способ определения структурно-механических свойств тампонажных смесей – измерение изменений ее пластической прочности во времени. По величине пластической прочности можно рассчитать значения статического и динамического напряжения сдви-

га, используяследующие зависимости:

θ = 0,25 Pпр;

τ0 = 0,029 Pпр + 0,51,

где Pпр – пластическая прочность смеси.

95

Структурно-механические свойства следует выбирать так, чтобы тампонажная смесь проникла вглубь пласта по наиболее крупным поглощающим каналам на расстояние 1–5 м при избыточном давлении 0,5–3,0 МПа.

Рекомендуемые значения структурно-механических свойств тампонажной смеси для различных величин раскрытия каналов поглощения приведены в табл. 15.

Таблица 15 Рекомендуемые значения структурно-механических свойств

тампонажной смеси для различных величин раскрытия каналов поглощения

Структурно-механические и реологические параметры тампонажных смесей регулируются количественным соотношением компонентов в смеси, а также добавкой определенных наполнителей и химических реагентов.

Поскольку параметры, характеризующие поглощающие горизонты, неодинаковы, составы смесей подбираются для каждого конкретного поглощающего пласта. Перед началом операции по закачке тампонажной смеси (установке моста) необходимо определить сроки загустевания и схватывания тампонажной смеси.

2.1.19. Виды тампонажных смесей и их рецептуры. Смеси на основе тампонажных цементов

Значительное число операций по изоляции поглощающих горизонтов производится закачкой растворов, смесей, паст, приготовленных на основе тампонажных цементов.

96

Раствор, получаемый в результате затворения тампонажного цемента водой (или другой жидкостью), обработанной химическими реагентами для повышения качества смеси и камня или облегчения проведения технологического процесса, называют тампо-

нажным.

Тампонажные растворы применяют для изоляции поглощающих горизонтов, разобщения пластов, проведения ремонтных работ

вскважинах при широком диапазоне условий:

•при температурах от –15 до 250 °С;

•при давлении 1,5–200,0 МПа;

•условных диаметрах каналов и трещин поглощающих горизонтов от долей миллиметра до десятков сантиметров и протяженности до нескольких сотен метров;

•при наличии в разрезе скважин разнообразных видов пород, которые могут быть прочными и рыхлыми, подверженными гидроразрывам и другим видам нарушений.

В таких условиях, применяя цементный раствор лишь одного типа, нельзя обеспечить герметичность заколонного пространства или надежно изолировать зону поглощения. Нужен ряд растворов, изготовляемых с учетом целей и условий их применения. Это растворы, приготовленные из разных цементов с обработкой химическими реагентами с использованием различных технологических схем приготовления. Тампонажные цементы, из которых изготовляют тампонажные растворы, смеси и пасты, классифицируются по следующим признакам [3]:

•по вещественному составу – в зависимости от содержания добавок разделяются на группы:

– без добавок;

– с добавками;

•по температуре применения (°С):

–для условий многолетнемерзлых пород;

–низких температур (до 15);

–нормальных температур (15–50);

–умеренных температур (50–100);

97

–повышенных температур (100–150);

–высоких температур (150–250);

–сверхвысоких температур (>250);

–циклично меняющихся температур;

•по плотности тампонажного раствора (кг/м3):

– легкие (ниже 1400);

– облегченные (1400–1650);

– нормальные (1650–1950);

– утяжеленные (1950–2300);

– тяжелые (>2300);

•по устойчивости тампонажного камняк агрессии пластовых вод:

– устойчивые только к хлоркальциево-натриевым водам;

– устойчивые к сульфатным водам, а также к хлоркальциево-

натриевым;

–устойчивые к кислым (углекислым, сероводородным) водам;

–устойчивые к магнезиальным водам;

• по видам жидкости затворения.

Быстросхватывающиеся смеси БСС [6]. Для сокращения сроков схватывания и получения высокой прочности цементного камня на ранней стадии твердения в тампонажный цементный раствор на основе портландцемента вводят ускорители схватывания: хлористый кальций, кальцинированную соду, углекислый калий (поташ), хлористый алюминий, хлористый натрий, сернокислый глинозем, жидкое стекло, каустическую соду, высокоминерализованную пластовую воду хлоркальциевого типа и др.

Количество вводимых ускорителей обычно не превышает 2– 8 % от массы цемента в пересчете на сухое вещество. Время ожидания затвердевания БСС в 3–4 раза меньше, чем в тампонажных растворах без добавок ускорителей.

Поскольку ускорители часто поступают на промыслы в виде водного раствора, то при приготовлении БСС необходимо знать концентрацию сухого вещества.

98

Плотность водного раствора ускорителя необходимо проверять непосредственно на буровой, так как при хранении и перевозке в открытой таре возможна его конденсация или разбавление атмосферными осадками.

Водные растворы ускорителей схватывания можно добавлять в воду затворения цемента и в цементный раствор, а порошкообразные ускорители – в сухую цементную смесь.

Цементные растворы с содержанием 8–10 % хлористого кальция [3] могут быть рекомендованы для изоляции высокопористых или мелкотрещиноватых пород, однако успешность изоляционных работ может быть достигнута в том случае, если в период транспортировки раствора к зоне поглощения не произойдет его разбавление водой.

БСС могут быть получены на основе специальных цементов – глиноземистого, гипсоглиноземистого и пуццоланового.

Глиноземистый цемент используют как добавку к тампонажному цементу в количестве не более 10–20 % от массы смеси. При этом начало схватывания при водоцементном отношении, равном 0,5, может быть снижено до 20 мин. Предел прочности при твердении в пластовой воде через 2 сут составляет 1,4–1,7 МПа. При вводе в глиноземистый цемент до 4 % фтористого натрия время до начала схватывания составляет 35 мин, при этом растекаемость, плотность смеси и прочность камня изменяются незначительно. Гипсоглиноземистый цемент из-за высокой стоимости чаще применяют в смеси с другими цементами. Так, быстросхватывающуюся расширяющуюся смесь можно получить при добавлении 20–30 % гипсоглиноземистого цемента в тампонажный, при этом расширение камня составляет до 5 %. Для облегчения такой смеси в нее добавляют до 30 % доломита с влажностью не более 6 %, при водоцементном отношении, равном 0,8, плотность 1,55 г/см3, а начало схватывания находится в пределах от 50 мин до 1 ч 25 мин. Расширяющийся быстросхваты-

99

вающийся цемент с началом схватывания до 20 мин можно получить введением в глиноземистый цемент до 25 % строительного гипса.

Пуццолановый цемент получают добавлением к тампонажному цементу активных минеральных добавок (опока, трепел) в количестве 30–50 % от массы цемента. Для регулирования сроков схватывания используют ускорители схватывания (хлорид кальция, кальцинированная сода и др.) в количестве 4–6 % от массы сухой цементной смеси. Пуццолановые смеси отличаются более интенсивным загустеванием и меньшей плотностью (1,65–1,70 г/см3) по сравнению с цементными растворами без активных минеральных добавок.

Тампонажный раствор с высоким показателем фильтрации

(ТРВВ) [6]. ТРВВ рекомендуется применять для изоляции зон поглощения бурового раствора в трещиноватых породах.

При приготовлении ТРВВ предпочтительно использовать глинистый раствор, не обработанный химическими реагентами. В цементный раствор следует вводить до 3 % хлористого кальция к массе сухого цемента. Для повышения закупоривающей способности в ТРВВ добавляют инертные наполнители.

Основными показателями, определяющими изоляционные свойства ТРВВ, являются показатель фильтрации, толщина фильтрационной корки и пластическая прочность.

При закачивании смеси в зону поглощения входящие в ее состав наполнители создают решетку в каналах поглощения, особенно в местах изгибов этих каналов и изменения их сечения, через которую происходит быстрое отфильтровывание воды из тампонажного раствора и образование плотного, прочного изолирующего слоя.

Благодаря высокому показателю фильтрации тампонажный раствор быстро обезвоживается. Хорошие закупоривающие свойства смеси обусловлены выпадением в поглощающих каналах ее твердой фазы, прежде всего утяжелителя, инициирующего этот

100