Лабораторная работа №2 – изучение основных технологических свойств тампонажных растворов.

Цель работы: ознакомление с тампонажними растворами, их назначением в процессе проводки скважины, оборудованием и методами оценки основных технологических свойств данных жидкостей.

Введение

Целью любого эксплуатационного бурения является получение доступа к полезным флюидам (нефть, газ, вода), но для извлечения их, надо создать долговечный устойчивый канал, соединяющий продуктивный горизонт с резервуарами. Чтобы успешно осуществлять транспортировку нефти или газа надо обеспечить разобщение пластов горных пород, закрепив при этом стенки скважины. При креплении скважин применяются металлические трубы, которые, свинчивая в колонну, спускают в пробуренную скважину на определенную глубину. Эти трубы и колонна получили название обсадные.

Разобщение пластов достигается за счет закачки в обсадную колонну цементного раствора, который вытесняет находящийся в ней буровой раствор, и продавливается в затрубное пространство на расчетную высоту (данный процесс относится к обратному цементированию, при прямом цементировании тампонажный раствор подается непосредственно в кольцевое пространство). Процесс транспортирования (закачивания) цементного раствора в затрубное пространство называется процессом цементирования скважины.

Важность качественного цементирования обусловлена тем, что это за­ключительный этап строительства скважин, поэтому неудачи при его вы­полнении могут свести к минимуму ожидаемый эффект, стать причиной неправильной оценки перспективности разведываемых площадей, появле­ния «новых» залежей нефти и, особенно, газа в коллекторах, перетоков флюидов, грифонообразования, газопроявлений и т.д. Стоимость скважин, особенно глубоких, высока, а ущерб от некачественного их крепления мо­жет быть еще большим. Процесс цементирования скважин — операция необратимая, ремонт и восстановление их связаны со значительными за­тратами средств и времени.

Цементный раствор поступает в заколонное пространство, замещая находящийся там буровой раствор, и затвердевает в камень.

Назначение и функции, выполняемые цементным камнем, многооб­разны:

1. Разобщение пластов, их изоляции, т.е. образование в стволе безуса­дочной структуры, внутреннюю часть которой составляет колонна обсадных труб. Важным условием является равномерная толщина цементного камня со всех сторон. Размеры кольцевого зазора (т.е. толщина цементного коль­ца) не определяют качества разобщения пластов, однако влияют на форми­рование цементного камня или предопределяют его отсутствие.

2.      Удержание обсадной колонны от всевозможных перемещений; про­седания под действием  собственного  веса,  температурных деформаций, деформаций  вследствие  возникновения  перепадов  давления  в  колонне, ударных нагрузок, вращений и т.д.

3.      Защита обсадной колонны от действия коррозионной среды.

4.      Повышение работоспособности обсадной колонны с увеличением сопротивляемости повышенным (против паспортных данных) внешнему и внутреннему   давлениям.   Естественно,   цементное   кольцо   должно   быть сплошным и иметь при этом определенную физико-механическую харак­ теристику.

5.      Сплошное цементное кольцо, приобретая в процессе формирования камня способность к адгезии (цементный камень сцепляется с металлом труб,   образуя   интерметаллический   слой),   создает   предпосылки   к   еще большему повышению сопротивляемости высоким внешним и внутренним давлениям.

Краткосрочность операции цементирования скважин не делает ее ме­нее значимой, хотя может быть причиной недостаточного внимания к ее выполнению.

Эксплуатация скважин требует устойчивой работы крепи, что обеспе­чивается формированием цементного камня вдоль ствола и заполнением им всего заколонного пространства, соответствием свойств камня (и всей крепи) требованиям, обусловленным внешними воздействиями (нагрузки, коррозия и т.д.). Количественно оценить все факторы сложно, что объяс­няется скудностью исследовательского материала, сложностью моделиро­вания процессов и сложностью получения достоверных результатов. Ос­новные трудности при этом заключаются в отсутствии информации (почти полное) об условиях, в которых предстоит формироваться цементному камню, и о свойствах материала, который образуется в скважине в резуль­тате замещения им бурового раствора.

Итак, давайте рассмотрим подробнее, что же такое тампонажные растворы:

Тампонажные растворы – это комбинации спецматериалов или составов, используемых для тампонирования. Тампонажные смеси с течением времени могут затвердевать с образованием тампонажного камня или загустевать, упрочняться, оставаясь вязкой или вязко-пластичной системой.

По виду тампонирование делят на:

- технологическое, выполняемое в процессе сооружения скважины;

- ликвидационное, проводимое для ликвидации скважины после выполнения целевого назначения.

Функции тампонажного раствора и камня обусловлены целью тампонирования и в зависимости от этого к исходному тампонажному раствору предъявляются различные требования.

Требования к тампонажному раствору

1)Технического характера:

- хорошая текучесть;

- способность проникать в любые поры и микротрещины;

- отсутствие седиментации;

- хорошая сцепляемость с обсадными трубами и горными породами;

- восприимчивость к обработке с целью регулирования свойств;

- отсутствие взаимодействия с тампонируемыми породами и пластовыми водами;

- устойчивость к размывающему действию подземных вод;

- стабильность при повышенных температуре и давлении;

- отсутствие усадки с образованием трещин при твердении.

2) Технологического характера:

- хорошая прокачиваемость буровыми насосами;

- небольшие сопротивления при движении;

- малая чувствительность к перемешиванию;

- возможность комбинирования с другим раствором;

- хорошая смываемость с технологического оборудования;

- легкая разбуриваемость камня.

3) Экономического характера:

- сырье должно быть недефицитным и недорогим;

- не влиять отрицательно на окружающую среду.

Классификация тампонажных растворов

В зависимости от вяжущей основы ТР делятся:

- растворы на основе органических веществ (синтетические смолы).

Жидкая основа ТР – вода, реже – углеводородная жидкость.

В зависимости от температуры испытания применяют:

- цемент для «холодных» скважин с температурой испытания 22^оС;

- цемент для «горячих» скважин с температурой испытания – 75^оС.

По плотности ТР делят на:

- легкие – до 1,3 г/см³

- облегченные – 1,3 – 1,75 г/см³;

- нормальные – 1,75 -1,95 г/см³;

- утяжеленные – 1,95 -2,20 г/см³;

- тяжелые – больше 20,20 г/см³.

По срокам схватывания делят на:

- быстро схватывающиеся – до 40 мин;

- ускоренно схватывающиеся – 40 мин- 1час 20 мин;

- нормально схватывающиеся - 1час 20мин – 2 час;

- медленно схватывающиеся – больше 2 час.

Требования к тампонажному камню

Достаточная механическая прочность.

Непроницаемость для бурового раствора, пластовых вод и газа.

Стойкость к коррозионному воздействию пластовых вод.

Температурная стойкость.

Сохранение объема при твердении и упрочнении.

Минимальная экзотермия.

Уровень требований к параметрам зависит от цели тампонирования.

Измеряемые характеристики тампонажного камня:

- прочность на изгиб и сжатие;

- проницаемость;

- коррозионные свойства;

- объемные изменения при твердении.

Материалы для приготовления тампонажных растворов

на неорганической основе : вяжущие- цементы, гипс, известь;

на органической основе: синтетические смолы, битумы, латексы;

жидкости затворения: пресная вода, минерализованная вода, углеводородные жидкости;

добавки, регулирующие плотность растворов, придания им закупоривающих свойств (наполнители), снижения стоимости;

материалы для регулирования сроков схватывания и реологических характеристик (реагенты).

Утяжелители для тампонажных растворов

Предупреждение осложнений при цементировании достигается регулированием противодавления на пласты, что может быть обеспечено применением тампонажных растворов с увеличенной плотностью. Для этого необходимо повышать плотность дисперсионной среды или твердой фазы. Распространен второй способ, при котором утяжеление достигается:

введением утяжелителей;

совместным помолом клинкера и утяжеляющих добавок;

увеличением окиси железа в портландцементе.

Реагенты для регулирования свойств тампонажных растворов

Ускорители сроков схватывания: это в основном электролиты и такие вяжущие, как гипс и глиноземистый цемент. Самый распространенный – хлористый кальций. Хлористый калий, силикат натрия, хлорид натрия, кальцинированная сода и др.

Замедлители сроков схватывания: используют в растворах для цементирования глубоких и высокотемпературных скважин. Применяют электролиты и органические вещества. Большинство замедлителей - это гидрофобизирующие поверхностно-активные вещества. Лигносульфонаты различных типов: ССБ, КССБ, окзил, ФХЛС и др.; борная кислота, виннокаменная кислота и т.д.

Пластификаторы – применяют для повышения текучести растворов. ССБ, ГКЖ, ПЛС, С-4 и др.

Понизители фильтрации (водоотдачи) – являются стабилизаторами дисперсных систем и поэтому снижают фильтрацию. Бентонитовая глина, ПАА, декстрин, КМЦ, ПВТ-ТР и др.

Пеногасители – НЧК, АКС-20ПГ и др.

Основные технологические параметры ТР

Цементным тестом называется смесь цемента с водой. Цемент перед испытанием просеивается через сито 80 мкм.

Водо-цементное отношение – В/Ц – отношение объема воды к весу цемента.

Тесто готовится вручную в сферической чаше в течение 3 минут или на специальных мешалках 5 минут.

Растекаемость, см – определяет текучесть (подвижность) цементного раствора. Наиболее важное свойство тампонажного раствора - его подвижность, т.е. способность легко прокачиваться по трубам в течение необходимого для проведения процесса цементирования времени. Подвижность (растекаемость) раствора устанавливается при помощи конуса АзНИИ. Это свойство тампонажных материалов определяется природой вяжущего, тонкостью помола, водоцементным отношением, количеством, степенью загрязненности и удельной поверхностью наполнителя, добавок, а также условиями, в которых раствор пребывает в течение процесса цементирования, временем и способом перемешивания раствора. Требуемая подвижность раствора обусловлена техникой и технологией проведения тампонажных работ и может быть изменена в желаемую сторону.

Метод определения подвижности позволяет быстро подбирать количество воды при соответствующем составе смеси. Полученные при этом результаты могут рассматриваться как ориентировочные. Для глубоких скважин с малыми зазорами растекаемость тампонажных растворов рекомендуется повышать до 22 см. Раствор считается соответствующим ГОСТ 1581--91, если диаметр круга расплывшегося раствора не менее 180 мм при водоцементном отношении 0,5.

Рисунок. Прибор (конус) для определения подвижности цементных и глинистых растворов

Плотность, г/см³ – отношение массы цементного раствора к его объему.Она зависит от плотности сухих тампонажных материалов и жидкости затворения, а также от водоцементного отношения. Это практи­чески единственный показатель качества раствора, контролируемый в про­цессе его приготовления и транспортирования в скважину.

Для стандартного цементного раствора при В/Ц = 0,5 (в соответствии с требованиями ГОСТ 1581—85) его расчетная плотность составляет 1,81 — 1,85 г/см³.

В промысловых условиях ее чаще всего определяют с помощью арео­метров АГ-1 и АГ-2 в каждой точке затворения независимо от наличия станции контроля цементирования СКЦ, которая обеспечивает автоматиче­скую регистрацию и запись средней плотности закачиваемого в скважину раствора. Непрерывный контроль плотности тампонажного раствора дости­гается применением радиоактивных плотномеров.

Рисунок. Ареометр для измерения плотности цементных и цементно-глинистых растворов

Фильтрация или водоотдача, см³ за 30мин – величина, определяемая объемом жидкости затворения, отфильтрованной за 30 минут при пропускании цементного раствора через бумажный фильтр ограниченной площади под давлением 1 атм. Прибор ВМ-6 предназначен для определения водоотдачи глинистых и тампонажных растворов, применяемых при бурении нефтяных и газовых скважин. Показатель водоотдачи растворов определяют как количество фильтрата в кубических сантиметрах, выделяющегося при избыточном давлении 0,1 МПа (1 кгс/см3 за 30 мин. с площади фильтрации диаметром 75 мм.

Под воздействием перепада давления в це­ментном растворе происходит процесс водоотделения, который называется фильтрацией. Скорость фильтрации в значительной мере зависит от при­нятого В/Ц: она обратно пропорциональна квадрату удельной поверхности цемента (тонкости помола), количеству наполнителя и вязкости жидкой фазы цементного раствора.

Вследствие высокой фильтрации цементный раствор становится вяз­ким, труднопрокачиваемым, сроки схватывания его ускоряются, в резуль­тате образования толстых цементных корок возможен прихват обсадной колонны во время ее расхаживания.

Седиментационная устойчивость цементного раствора. Под седиментационной устойчиво­стью подразумевают способность частиц тампонажного раствора оседать в жидкости затворения под действием сил тяжести. Этот параметр зависит от разности плотностей твердой и жидкой фаз тампонажного раствора, микроструктуры порового пространства, вязкости жидкости затворения.

Вследствие сильно развитой межфазной поверхности тампонажные растворы агрегативно неустойчивы. О характере и степени седиментаци-онных перемещений в основной части столба тампонажного раствора с достаточной точностью можно судить по характеру и степени перемеще­ний верхнего уровня твердой составляющей раствора. При цементировании обсадных колонн в газовых скважинах и сква­жинах с наличием зон АВПД появляется необходимость нормирования се-диментационной устойчивости тампонажных растворов, для повышения которой может быть рекомендован к использованию весь комплекс меро­приятий по снижению показателя фильтрации цементных растворов.

Время загустевания (час - мин, начало-конец) – время потери текучести. Спустя некоторое время после затворения и механиче­ского перемешивания начинает проявляться способность цементных рас­творов к структурообразованию, которое выражается последовательно в загустевании и схватывании растворов. Загустевание тампонажных раство­ров оценивают консистометром.

Существенно влияют на загустевание цементных растворов природа цемента, тонкость его помола, В/Ц, температура, давление и некоторые другие факторы.

Увеличить время загустевания тампонажных растворов можно, ис­пользуя замедлители процессов структурообразования, качество и количе­ство которых подбирают с учетом конкретных условий скважин (к числу замедлителей относятся ССБ, КМЦ, гипан НТФ, ОЭДФ, ВКК, хромпик и др.).

Сроки схватывания (час - мин, начало-конец) – определят время перехода цементного раствора в твердое состояние цементного камня. Прибор ВИКА ИВ-2 предназначен для определения нормальной густоты, сроков схватывания и определения толщины корки цементного теста. Возможность применения тампонажных раство­ров в отечественной практике в большинстве случаев определяется срока­ми схватывания, которые зависят от химикоминерального состава цемента, его удельной поверхности, В/Ц, химических реагентов, вводимых в рас­твор, температуры, давления и других факторов.

При прочих равных условиях с повышением удельной поверхности цемента и уменьшением В/Ц сроки схватывания цементного раствора уменьшаются. На их уменьшение температура влияет более существенно, чем давление, а их совместное воздействие еще эффективнее.

Механическая прочность цементного камня. Прочность тампонажного камня характеризуется временным сопротивлением сжатию, растяжению или изгибу. Изготовленные определенной формы образцы цементного камня испытывают на прочность, причем определяют напряжение, соот­ветствующее разрушению образца.

Механическая прочность цементного камня зависит от многих факто­ров, основными из которых являются химико-минеральный состав цемента, В/Ц, удельная поверхность цемента, наличие наполнителей и химических добавок, условия твердения и др. Существенно влияют на прочность це­ментного камня также температура и давление.

Проницаемость цементного камня. Под проницаемостью цементного камня понимают его способность пропускать через себя жидкости или га­зы при определенном перепаде давления. Для обеспечения надежного раз­деления пластов цементный камень в затрубном пространстве должен иметь минимально возможную проницаемость для пластовых флюидов.

Проницаемость цементного камня изменяется в процессе его тверде­ния и существенно зависит от природы цемента и наполнителей, В/Ц, ус­ловий и времени твердения и т.д.

Оборудование, применяемое для выполнения лабораторной работы:

1. Ареометр для измерения плотности цементных и цементно-глинистых растворов

Руководство по эксплуатации

1. Открыть крышку ведра и вынуть ареометр.

2. Налить воду в ведро.

3. Поворотом поплавка относительно мерного стакана открыть байонетный затвор и отделить поплавок и стакан друг от друга.

4. Проверить чистоту мерного стакана и поплавка.

Проверка прибора

1. Налить в мерный стакан ареометра воду до края гофра.

2. Соединить поплавок с мерным стаканом, выдавив при этом избыток воды из стакана и погрузив собранный ареометр в воду. Вода, которой заполнен стакан, должна быть той же, что и в ведре.

3. При пресной воде ареометр при навернутом съемном грузе должен погрузиться под уровень воды в ведре до деления 1,0 на шкале поплавка с точностью ±0,005 г/см³ (четверть деления).

4. При воде с большей плотностью (вода морская, соленая, буровая) ареометр погружается на несколько делений ниже деления, обозначенного 1,0. В этом случае к результатам измерений плотности глинистых растворов необходимо прибавить поправку, определяемую как разность между делением 1,0 и показанием ареометра, заполненного водой.

Пример. Измерение производится погружением ареометра в морскую воду. Ареометр, заполненный морской водой, при погружении в эту воду показал на шкале 0,96. Поправка составляет 1,00 - 0,96 = 0,04 г/см3. При измерении плотности глинистого раствора погружением в эту же морскую воду показание было 1,41. Истинная плотность этого раствора получается прибавлением поправки, а именно: 1,41 + 0,04 = 1,45 г/см³.

Измерение плотности

1. Налить в чистую крышку ведра пробу раствора и перемешать ее.

2. Налить в мерный стакан ареометра раствор до края гофра. Стакан держать вертикально.

3. Соединить поплавок со стаканом - вставить штифты на нижней части поплавка в байонетные прорези мерного стакана и повернуть, поплавок относительно стакана слева направо до упора. При этом из стакана выдавится избыток раствора и таким образом отмерится объем пробы.

4. Смыть водой выдавленный раствор с поверхности мерного стакана, удерживая ареометр в вертикальном положении.

5. Погрузить ареометр в ведро, дать ему успокоиться и снять показание по шкале ареометра на уровне воды в ведре.

6. При навернутом объемном грузе отсчет брать по левой шкале с цифровкой 0,9 - 1,7 г/см³.

Если ареометр при навернутом съемном грузе погрузился ниже последнего оцифрованного деления на шкале (1,7 г/см³), следует снять съемный груз и отсчет брать по правой шкале с цифровкой 1,6 - 2,4 г/см³.

7. При погружении ареометра в соленую, морскую или буровую воду обязательно вносить поправку, как было указано выше.

2) Прибор конус АзНИИ для определения подвижности цементных и глинистых растворов