Лекция 6 Бурение и освоение нефтяных и

Зарегистрируйтесь, чтобы просмотреть полный документ!

Лекция № 6 Бурение и освоение нефтяных и газовых скважин Курс лекций Автор: Епихин А. В. асс. каф. бурения скважин Томск-2013 г.

Лекция № 6 Тема № 1 Тампонажные растворы 2

Лекция № 6 Тема № 1. 1 Общие понятия о тампонажных растворах 3

Лекция № 6 Общие сведения о буровых тампонажных растворах Тампонажный раствор (ТР) – это гетерогенная полидисперсная система, способная в течение некоторого времени переходить из вязко-пластичного состояния в твердое как на воздухе, так и в жидкости. Дисперсная фаза ТР представлена тампонажным цементом (ТЦ), который состоит из вяжущего вещества (ВВ) и добавок (Д) к нему. Добавки к ВВ могут быть химически активными (ХА) и инертными (И). Дисперсионная среда или жидкость затворения (ЖЗ) ТР чаще всего представлена водой, реже водными высоко концентрированными растворами солей и углеводородными жидкостями. ЖЗ может содержать в растворенном виде химические реагенты, предназначенные для регулирования свойств ТР и тампонажного камня (ТК). ТК – искусственное твердое тело, образующееся при затвердевании ТР. Вводимые в ЖЗ химические реагенты по функциональному назначению делятся на следующие 4 группы: ускорители схватывания и твердения (УС); замедлители схватывания и твердения (ЗС); понизители фильтрации (ПФ); пластификаторы или разжижители (Пл). Отношение массы дисперсионной среды к массе дисперсной фазы в единице объема ТР называется водоцементным отношением и обозначается В/Ц. 4

Функции тампонажных растворов Лекция № 6 Основными функциями, выполняемыми ТР при сооружении скважин, являются следующие: ü закрепление обсадных колонн и защита их от коррозионного воздействия пластовых флюидов; ü изоляция друг от друга и от дневной поверхности пластов, содержащих различные виды флюидов (вода, нефть, газ) или один вид флюида с разными свойствами; ü создание искусственных забоев и разделительных пробок или перемычек в стволе скважины с целью забуривания нового ствола, перехода на вышележащий объект, ликвидации проявлений, консервации скважины и др. ; ü ликвидация поглощений бурового раствора; ü закрепление стенок скважин в потенциально неустойчивых породах. 5

Лекция № 6 Требования, предъявляемые к тампонажным растворам ü легко прокачиваться цементировочными агрегатами в течение времени, необходимого для транспортирования его в заданный интервал скважины; ü обладать минимальной фильтрацией для сохранения высокой проницаемости приствольной зоны продуктивного пласта и предотвращения преждевременного загустевания при течении в затрубном пространстве; üбыть седиментационно устойчивым с тем, чтобы в состоянии покоя в нем не образовывались каналы, заполненные дисперсионной средой; ü быть химически инертным по отношению к металлу, горным породам, пластовым флюидам и буровому раствору; ü по окончании транспортирования в заданный интервал скважины максимально быстро превращаться в ТК; ü легко смываться с технологического оборудования; ü быть нетоксичным. Требования, предъявляемые к тампонажному камню ü быть высоко эластичным (трещиностойким) для предотвращения его разрушения при динамических нагрузках, в частности, при перфорации; ü быть коррозионно- и термостойким; ü обладать хорошей сцепляемостью (адгезией) с металлом и горными породами, слагающими стенки скважины; ü не давать усадки при твердении; ü быть практически непроницаемым для жидкостей и газов; ü быть достаточно прочным и в то же время легко разбуриваться. 6

Лекция № 6 Тема № 1. 2 Краткая характеристика вяжущих веществ 7

Лекция № 6 Краткая характеристика основных вяжущих веществ В составе ТЦ в качестве ВВ, обеспечивающих затвердевание тампонажных растворов, применяются следующие: Минеральные ВВ: ü портландцемент; ü глиноземистый цемент; ü шлаковый цемент; ü известково-кремнеземистый цемент; ü гипс; ü магнезиальный цемент; ü смеси различных минеральных ВВ; Органические ВВ (синтетические смолы). 8

Лекция № 6 Краткая характеристика основных вяжущих веществ Портландцемент Основной частью портландцемента являются клинкерные минералы, получаемые искусственным путем при обжиге (Т ≈ 1450 ºС) смеси известняка с глиной. При этом состав смеси подбирается таким образом, чтобы в ней содержалось строго определенное количество следующих оксидов: кальция Са. О - 64 … 68 % (известь); кремния Si. O 2 - 19 … 23 % (кремнезем); алюминия Al 2 O 3 - 4 … 8 % (глинозем); железа Fe 2 O 3 - 3 … 6 %. Глиноземистый цемент Получают обжигом сырьевой смеси, состоящей из известняка и бокситов (руда, содержащая 28… 52 % Al 2 O 3). Химический состав смеси: Ca. O - 35… 45 %; Si. O 2 - 5… 15 %; Al 2 O 3 - 30… 50 %; Fe 2 O 3 5… 15 %. Достоинства: Глиноземистый цемент, особенно при низких температурах, твердеет значительно быстрее, чем портландцемент, а получаемый при этом тампонажный камень имеет в несколько раз большую прочность, существенно меньшую проницаемость и повышенную коррозионную устойчивость к агрессивным средам. Недостатки: Высокая прочность тампонажного камня сохраняется длительное время только при отсутствии поровой жидкости (в сухих условиях) и пониженных температурах (20… 25 ºС). Глиноземистый цемент дефицитен, поэтому чаще всего применяется в смеси с портландцементом при соотношении - 1 : 5 или 1 : 4. 9

Лекция № 6 Краткая характеристика основных вяжущих веществ Цемент на основе металлургических (доменных) шлаков Получают при охлаждении расплава, образованного примесными минералами руд, флюсов и золы топлива при выплавке чугуна. По химическому составу близок к портландцементу, отличаясь от него обычно меньшим содержанием оксида кальция (40… 50 %) и отсутствием оксида железа. Достоинства: В отличие от портландцемента очень медленно твердеет в нормальных условиях, но при температуре порядка 100 ºС и выше процесс твердения идет интенсивно с образованием прочного ТК, очень стойкого к полиминеральной агрессии. Известково-кремнеземистый цемент Представляет собой смесь гидроксида кальция – Ca(OH)2 с кварцевым песком или другими материалами, содержащими оксид кремния (диатомитом, измельченным кварцем, пылевидной каменноугольной золой и т. п. ): Ca. O : Si. O 2 = 0, 8… 1, 2. Достоинства: быстрое схватывание. Недостатки: низкая водоудерживающая способность (большие значения показателя фильтрации). Гипс Получают путем термической обработки природного гипсового камня – сульфата кальция (Ca. SO 4· 2 H 2 O). Гипс – быстросхватывающееся и быстротвердеющее (≈ 15 мин. ) вяжущее вещество, но гипсовый камень не водостоек (размягчается в воде). Поэтому гипс обычно используют с добавками веществ, замедляющих схватывание и 10 повышающих водостойкость.

Лекция № 6 Краткая характеристика основных вяжущих веществ Магнезиальный цемент Получают обжигом магнезита (Mg. CO 3) или доломита (Mg. CO 3 ·Ca. CO 3). Очень медленно твердеет при затворении водой, поэтому его затворяют водным раствором Mg. Cl 2 и применяют для тампонирования тех участков ствола скважины, которые сложены солями магния (карналлит, бишофит). Тампонажный камень из всех других минеральных вяжущих веществ в контакте с солями магния разрушается. Органические вяжущие вещества (синтетические смолы) Чаще всего используют мочевиноформальдегидные (карбамидные), фенолоформальдегидные и эпоксидные смолы. В качестве отвердителя таких смол применяют щавелевую, фосфорную и соляную кислоты, а также хлорное железо, хлорный цинк, хлористый аммоний и др. 11

Лекция № 6 Тема № 1. 3 Краткая характеристика добавок к вяжущим веществам 12

Лекция № 6 Краткая характеристика добавок к вяжущим веществам 13

Лекция № 6 Общие сведения о буровых тампонажных растворах Диатомиты – землистые, рыхлые или сцементированные кремнистые породы, более чем на 50 % состоящие из панцирей диатомей (диатомитовых водорослей) и содержащие до 70… 80 % растворимого кремнезема. Трепелы – рыхлые или слабосцементированные очень легкие тонкопористые осадочные породы, аналогичные по физико-техническим свойствам диатомитам. Опоки – продукт изменения диатомитовых трепелов, содержащий до 92… 98 % кремнезема в аморфном состоянии. Глиежи – глина, обожженная при подземных пожарах в угольных пластах. Туфы – породы, образовавшиеся из твердых продуктов вулканических извержений. Пемзы – легкие (не тонут в воде) очень пористые породы губчатого строения. Трассы – горные породы из группы трахитовых вулканических туфов, богатые аморфной кремнекислотой. Перлит – разновидность вулканических стекол. Раздробленный и подвергнутый термической обработке (1000… 1200 ºС) сильно вспучивается, образуя легковесный материал с замкнутыми порами. Пуццолан - слегка сцементированные отложения вулканических материалов (пепла, пемзы и др. ) Гильсонит – твердый углеводород (разновидность природного асфальта). Имеет зернистую структуру и низкую плотность – 1070 кг/м 3. 14

Лекция № 6 Тема № 1. 4 Тампонажные цементы 15

Тампонажные цементы Лекция № 6 ТЦ – это продукт, состоящий из смеси тонкоразмолотых ВВ и добавок, после затворения которого водой получают ТР, а затем ТК. Тампонажные цементы могут быть классифицированы по следующим основным признакам: ü температуре применения; ü плотности ТР; ü устойчивости ТК в воздействию агрессивных пластовых вод. По температуре применения (ºС) ТЦ делятся на 7 групп: ü для низких температур (ниже + 15); ü для нормальных температур (+ 15…+ 50); ü для умеренных температур (+ 50…+ 100); ü для повышенных температур (+ 100…+ 150); ü для высоких температур (+ 150…+ 250); ü для сверхвысоких температур (выше + 250); ü для циклически меняющихся температур. По плотности получаемого ТР (кг/м 3) ТЦ делятся на 5 групп: ü легкие ( 1400); ü облегченные (1400… 1650); ü нормальные (1650… 1950); ü утяжеленные (1950… 2300); ü тяжелые ( 2300). По устойчивости ТК к воздействию агрессивных пластовых вод ТЦ делятся на 5 групп: ü устойчивые только к хлоркальциево - натриевым водам; ü устойчивые к сульфатным, а также к хлоркальциево -натриевым водам; ü устойчивые к кислым (углекислым, сероводородным) водам; ü устойчивые к магнезиальным водам; ü устойчивые к полиминеральным водам. 16

Тампонажные цементы Лекция № 6 ПТЦ – портландцемент тампонажный (ГОСТ 1581 -96) Считается, что портландцемент был изобретен в Англии каменщиком Аспидом, который получил патент в 1824 году. Однако в России портландцемент был получен еще в 1817 году начальником военно-рабочей команды Е. Г. Челиевым, который в 1825 году издал книгу о вяжущем веществе, аналогичном по составу применяемому ныне портландцементу. По вещественному составу ПЦТ подразделяют на следующие типы: ü I - ПЦТ бездобавочный ü I-G - ПЦТ бездобавочный с нормированными требованиями при В/Ц = 0, 44 ü I-H - ПЦТ бездобавочный с нормированными требованиями при В/Ц = 0, 38 ü II - ПЦТ с минеральными добавками ü III - ПЦТ со специальными добавками, регулирующими плотность ТР По плотности тампонажного раствора ПЦТ типа III подразделяют: ü на облегченный (Об) ü утяжеленный (Ут) По температуре применения (ºС) ПЦТ I, II и III типов подразделяют на предназначенные: ü для низких и нормальных температур (15… 50) ü для умеренных температур (51… 100) ü для повышенных температур (101… 150) По сульфатостойкости ПЦТ I, II и III типов подразделяют: ü на обычный (требования к сульфатостойкости не предъявляют) ü на сульфатостойкий (СС) По сульфатостойкости ПЦТ типа I-G и I-H подразделяют на цемент: ü высокой сульфатостойкости (СС-1) ü умеренной сульфатостойкости (СС-2) 17

Тампонажные цементы Лекция № 6 ПТЦ – портландцемент тампонажный (ГОСТ 1581 -96) Условное обозначение портландцемента тампонажного должно включать в себя: ü буквенное обозначение цемента: ПЦТ ü обозначение типа цемента (I, III, I-G, I-H) ü обозначение сульфатостойкости цемента (СС, СС-1, СС-2) ü для цемента типа III - обозначение средней плотности ТР (Об 4, Об 5, Об 6, Ут 0, Ут 1, Ут 2, Ут 3) ü обозначение максимальной температуры применения цемента (50, 100, 150) ü обозначение гидрофобизации (ГФ) или пластификации (ПЛ) цемента ü обозначение стандарта (ГОСТ 1581 -96) Примеры условных обозначений ПЦТ 1. Портландцемент тампонажный с минеральными добавками, сульфатостойкий, для низких и нормальных температур ПЦТ II-СС-50 ГОСТ 1581 -96 2. Портландцемент тампонажный со специальными добавками, облегченный, с плотностью ТР, равной 1500 кг/м 3, для умеренных температур, гидрофобизованный ПЦТ III-Об 5 -100 -ГФ ГОСТ 1581 -96 18

Тампонажные цементы Лекция № 6 ОЦГ – облегченный цемент для горячих (50… 100 ºС) скважин (ТУ 39 -01 -08 -469 -79) Состав: ü портландцемент (ПЦТ типа I) – до 40 % ü трепел – до 45 % ü гранулированный доменный шлак – до 20 % ЦТОК – цемент тампонажный облегченный повышенной коррозионной стойкости (ТУ 39 -0147009 -010 -89) Состав: Вяжущее вещество Т = 15… 100 ºС Т = 100… 150 ºС ПЦТ I-50, ПЦТ I-100 ШПЦС-120, ЦТПН Облегчающая добавка кероген марки Т - гидрофобный тонкоразмолотый органоминеральный порошок плотностью 1250 кг/м 3, получаемый из горючего сланца (снижает плотность и обеспечивает коррозионную стойкость). Выпускают 3 марки ЦТОК: Показатели Значения показателей ЦТОК - 4 плотность ТР, кг/м 3 ВВ : кероген В/Ц ЦТОК - 5 ЦТОК - 6 1400 50 1500 50 1600 50 60 : 40 70 : 30 80 : 20 0, 7 0, 65 0, 6 19

Лекция № 6 Тампонажные цементы ЦТО – цемент тампонажный облегченный (ТУ 39 -0147009 -018 -89) Состав: Вяжущее вещество Т = 15… 100 ºС Облегчающая добавка Стабилизирующая добавка (при необходимости) фильтроперлит или тампонажный перлит – высокоэффективная облегчающая добавка с водопотребностью до 6… 8 кг/кг бентонит, палыгорскит Т = 100… 250 ºС ПЦТ I-50, ПЦТ I-100 ЦТПН Выпускают 7 марок ЦТО: Марка В/Ц , кг/м 3 Режим твердения ТК Т, ºС p, МПа изг. через 1 сутки, МПа 1, 1 ЦТО-4 -100 1, 15 1400 50 ЦТО-5 -100 0, 9 1500 50 ЦТО-6 -100 0, 7 1600 50 1, 4 ЦТО-4 -150 1, 15 1400 50 2, 2 ЦТО-5 -150 0, 9 1500 50 ЦТО-4 -250 1, 20 1400 50 ЦТО-5 -250 0, 95 1500 50 75 120 20 40 1, 2 2, 9 3, 2 200 60 3, 8 20

Тампонажные цементы Лекция № 6 МТО – материал тампонажный облегченный (ТУ 39 -08 -217 -85) Состав: ü ПЦАТ (портландцемент алинитовый тампонажный); ü облегчающая добавка (вспученный перлитовый песок марки М 75 -100). ЦТН – цемент тампонажный для низкотемпературных (- 2…+ 30 ºС) скважин (ТУ 113 -08 -565 -85) Состав: ü высокопрочный гипс ( - полугидрат сульфата кальция) - 70… 80 %; ü портландцемент - 20… 30 %; ü регулятор твердения (белковосодержащие вещества микробиологического синтеза, обеспечивающие необходимую подвижность ТР при сохранении высокой скорости набора прочности ТК в условиях низких температур) - 0, 2… 0, 5 %. ПЦАТ – портландцемент алинитовый тампонажный (ТУ 21 Уз. ССР-146 -89) Получают по НТС-технологии (технологии низкотемпературного синтеза). ПЦАТ в отличие от ПЦТ в качестве основного клинкерного минерала содержит не алит, а алинит, который обеспечивает быстрое схватывание, высокую раннюю прочность ТК и его низкую проницаемость. Рекомендуемая температура применения – 15… 50 ºС. 21

Тампонажные цементы Лекция № 6 ЦТПН – цемент тампонажный для паронагнетательных скважин (для циклически меняющихся температур). Выпускается по ТУ 39 -1057 -85. Состав: гранулированный доменный шлак – до 30 %; портландцемент – до 60 %; кварцевый песок – до 30 %; Предназначен для тампонирования скважин с забойными температурами от 15 до 50 ºC на нефтяных месторождениях, разрабатываемых с применением термических методов повышения нефтеотдачи (паронагнетание, создание внутрипластового движущегося очага горения и др. ) с температурой рабочего агента до 300 ºC. Цемент тампонажный сероводородостойкий (до 25 % H 2 S в продукции скважины). Выпускается по ТУ 21 -20 -64 -85. Состав: портландцементный клинкер нормированного состава – не менее 8, 6 %; никелевый шлак – до 86, 3 %; известняк – до 5, 1%; Рекомендуемая температура применения 100… 150 ºС. ЦТУК – цемент тампонажный утяжеленный коррозионностойкий (к полиминеральной, углекислой и сероводородной агрессии). Выпускается по ТУ 39 -995 -85. Состав: гранулированный доменный шлак – до 65 %; кварцевый песок – до 10 %; парафин (гидрофобизующая добавка) – до 5 %; барит (утяжеляющая добавка) – до 55 % Рекомендуемая температура применения – 100… 150 ºС. Гарантийный срок хранения – до 6 мес. 22

Тампонажные цементы Лекция № 6 ШПЦС – шлакопесчаный цемент совместного помола (ОСТ 39 -017 -80) Состав: ШПЦС – 120 (температура применения 120 40 ºС) ü гранулированный доменный шлак – до 70 %; ü кварцевый песок – до 50 %; ü портландцемент – до 20 %. ШПЦС – 200 (температура применения 200 40 ºС) ü гранулированный доменный шлак – до 70 %; ü кварцевый песок – до 50 %; Гарантийный срок хранения ШЦПС - 120, 200 - 4 мес. УЦГ – утяжеленный тампонажный цемент (ТУ 39 -01 -08 -535 -80) Состав: ü портландцемент – не менее 20 %; ü железная руда – до 75 %; ü гранулированный доменный шлак (не обязательный компонент) - до 25 % Рекомендуемая температура применения – 15… 100 ºC. Гарантийный срок хранения – 3 мес. УШЦ – утяжеленный шлаковый цемент (ОСТ 39 -014 -80) Состав: УШЦ 1 -120, УШЦ 2 -120 ü гранулированный доменный шлак – не менее 25 % ü железная руда – до 75 % ü портландцемент – до 20 % УШЦ 1 -200, УШЦ 2 -200 ü гранулированный доменный шлак – не менее 25 % ü железная руда – до 75 % Гарантийный срок хранения – 4 мес. 23

Лекция № 6 Тема № 1. 5 Физико-химические основы регулирования свойств ТР и ТК 24

Лекция № 6 Сущность процессов протекающих в ТР и ТК От момента смешения ПЦТ с ЖЗ (водой) и до момента образования ТК в рассматриваемой системе последовательно протекают следующие взаимосвязанные процессы: 25

Тампонажные цементы Лекция № 6 Степень дисперсности ТЦ Повышение степени дисперсности ТЦ приводит к увеличению поверхности реакции гидратации, а следовательно, и ее скорости. Приближенно можно принять, что скорость гидратации прямо пропорциональна величине удельной поверхности ТЦ. В/Ц При значениях В/Ц, наиболее часто используемых в практике тампонирования скважин (0, 45… 0, 55), его влияние на скорость гидратации не очень существенно. В принципе же, скорость гидратации с ростом В/Ц увеличивается. При высоких значениях В/Ц период интенсивной гидратации идет быстро, затем замедляется. При низком В/Ц процесс интенсивной гидратации растянут во времени. С ростом температуры до 70… 90 ºС эти отличия выражены уже менее четко. С увеличением В/Ц: снижается способность ТР к затвердеванию, поэтому В/Ц 1 характерно только для ТР, содержащих облегчающие добавки, способные связывать большое количество воды; снижается седиментационная устойчивость ТР; растет показатель фильтрации ТР. С уменьшением значений В/Ц до 0, 3: ТР невозможно транспортировать в заколонное пространство, так как он превращается в пасту. При В/Ц 0, 6: в структуре ТК образуется система взаимосвязанных капиллярных и более крупных пор, т. е. с ростом В/Ц повышается пористость, проницаемость ТК и снижается его прочность. 26

Тампонажные цементы Лекция № 6 Давление С повышением давления скорость гидратации увеличивается. Так, известно, что с ростом давления от атмосферного до 50… 60 МПа сроки схватывания сокращаются примерно вдвое. Температура Скорость растворения поверхности клинкерных минералов (скорость гидратации) возрастает с ростом температуры экспоненциально, т. е. температура является главным фактором, определяющим скорость схватывания и твердения ТР. При тампонировании глубоких скважин большинство из рассмотренных выше факторов являются практически фиксированными, т. е. не зависящими от исполнителей. Так, температура и давление в скважине определяются соответствующими градиентами (геотермическим и геостатическим), характерными для конкретного месторождения, а минералогический состав и степень дисперсности ТЦ – технологией его изготовления. Именно поэтому для регулирования скорости гидратации (скорости схватывания и твердения) широко используют химические реагенты – УС и ЗС. 27

Тампонажные цементы Лекция № 6 Структурообразование Как отмечалось выше, новообразования, возникающие в ТР, концентрируются вокруг зерен ПЦТ, образуя тем самым тонкопористую массу – цементный гель. Схватывание По мере роста кристаллов новообразований прочность коагуляционной структуры повышается, увеличивается число связей и возникает непосредственная связь (а не через гидратные оболочки) между частицами, все больше и больше появляется контактов срастания новообразований, увеличивается площадь таких контактов, преобладающее влияние в системе приобретают прочные химические связи. Твердение Происходит окончательное формирование кристаллизационной структуры, имеющей высокую механическую прочность и упруго-хрупкие свойства. Разрушение связей между частицами таких структур необратимо. 28

Лекция № 6 Тема № 1. 6 Регулирование свойств ТР и ТК с помощью химических реагентов 29

Регулирование свойств ТР и ТК с помощью. Лекция № 6 химических реагентов Ускорители схватывания и твердения ТР (УС) Назначение: сокращение времени ОЗЦ. Область применения: ü тампонирование скважин в верхних частях разреза (при невысоких температурах); ü ликвидация поглощений бурового раствора; ü закрепление неустойчивых горных пород в околоствольном пространстве скважин. В качестве УС чаще всего используют электролиты – вещества, которые в водных растворах диссоциируют на анионы и катионы. Ускорение сроков схватывания ТР, вызываемое электролитами, в основном обусловлено следующими факторами: ü интенсификацией растворимости поверхности клинкерных минералов (ускорение процесса гидратации и процесса появления новообразований); ü образованием новых центров кристаллизации (увеличением числа зародышей новой фазы); ü коагулирующим воздействием вводимых ионов, что ускоряет процесс структурообразования (уменьшается толщина гидратных оболочек на поверхностях цементных зерен и элементарных пакетов тоберморита). 30

Регулирование свойств ТР и ТК с помощью. Лекция № 6 химических реагентов Краткая характеристика наиболее широко используемых УС Название Ca. Cl 2 0… 100 2 2… 8 0… 8 2 1… 4 0… 150 0, 5… 2 - 10… 0 Углекислый калий Добавка, % (от массы цемента) - 10… 0 Хлорид натрия Т, ºС - 10… 0 Хлорид кальция Химическая формула 2… 5 Na. Cl K 2 CO 3 Углекислый натрий Na 2 CO 3 0… 130 1… 5 Сернокислый натрий Na 2 SO 4 0… 75 1… 6 Na. OH - 5… 50 0, 3… 0, 8 Na 2 · n. Si. O 2 0… 75 5… 15 Гидроксид натрия Кремнекислый натрий Кроме перечисленных выше основных реагентов, в качестве УС могут использоваться: Fe. Cl 2, Al. Cl 3, KCl, Al 2 SO 4, Mg. Cl 2, K 2 SO 4, нитрит*- нитрат**кальция (ННК), мочевина (карбамид), нитрит- нитрат- хлорид кальция с мочевиной (ННХКи. М), нитрит- нитрат- сульфата натрия (ННСН), нитрат натрия (НН), нитрит кальция (НК), нитрит- нитрат- хлорид кальция (ННХК), нитрат кальция с мочевиной (НКМ) и др. 31

Регулирование свойств ТР и ТК с помощью. Лекция № 6 химических реагентов Замедлители схватывания и твердения ТР (ЗС) Назначение: обеспечение возможности выполнения всех технологических операций по доставке ТР в заданный интервал при высоких забойных температурах в скважинах ( 100 ºС). Механизм действия замедлителей схватывания заключается в образовании вокруг зерен цемента и элементарных пакетов новообразований защитных слоев или оболочек, которые препятствуют контактированию их друг с другом и с водой (снижается скорость гидратации и прочность коагуляционной структуры). Защитные слои на поверхности зерен цемента и новообразований могут существовать в одном из следующих видов: ü в виде экранирующих поверхности клинкерных минералов и новообразований вязких слоев, которые образуются при обработке ТР полисахаридами (КМЦ, декстрин и др. ), акриловыми полимерами (гипан, ПАА), лигносульфонатами (КССБ, сульфитно-дрожжевая бражка - СДБ, ПФЛХ, ФХЛС, окзил), реагентами на основе гидролизного лигнина (НЛГ, сунил); ü в виде практически непроницаемых мембран, образующихся в результате взаимодействия химических реагентов (борная кислота – H 3 BO 3, синтетическая винная кислота – СВК и др. ) с реакционно-способными атомами кристаллической решетки клинкерных минералов и продуктов их гидратации. В последние годы в качестве ЗС широко используют и НТФ. 32

Регулирование свойств ТР и ТК с помощью. Лекция № 6 химических реагентов Краткая характеристика основных ЗС (добавка возрастает с ростом температуры) Название Добавка, % (от массы цемента) 50 0, 1… 0, 2 пластификация ТР 50 СДБ Т, ºС Побочное действие 0, 2… 0, 6 при добавке 0, 5 % вызывает вспенивание ТР и снижение прочности ТК КССБ 200 0, 1… 7 пластификация, вспенивание и снижение фильтрации ТР Окзил 200 0, 1… 3 ПФЛХ 100 0, 1… 1, 5 гипан 160 0, 1… 1 сильно снижает фильтрацию ТР КМЦ 130 0, 2… 2 то же сунил 150 0, 2… 1 пластификация и снижение фильтрации ТР H 3 BO 3 130 0, 08… 0, 25 СВК 150 0, 05… 0, 5 то же пластификация и вспенивание ТР повышает прочность ТК 33

Лекция № 6 Регулирование свойств ТР и ТК с помощью химических реагентов Кроме перечисленных выше основных ЗС могут использоваться и другие: триоксиглутаровая кислота (ТОГК); малеиновый ангидрит (МА); Л-7; нейтрализованный поливинилацетатная эмульсия; черный контакт фурфурол; (НЧК); гексаметафосфат натрия. По степени замедления схватывания все перечисленные химические реагенты можно разделить на 4 группы: ü средней степени замедления схватывания – полисахариды, акриловые полимеры, реагенты на основе гидролизного лигнина; ü выше средней степени замедления схватывания – лигносульфонаты, бораты (H 3 BO 3), фосфаты; ü высокой степени замедления схватывания – СВК, ТОГК; ü очень высокой степени замедления оксиэтилендифосфоновая кислота (ОЭДФ). схватывания – НТФ, 34

Лекция № 6 Регулирование свойств ТР и ТК с помощью химических реагентов Пластификаторы (разжижители) ТР (ПЛ) Назначение: снижение пластической вязкости, динамического и статического напряжения сдвига и, соответственно, гидродинамического давления в процессе тампонирования. Особенно актуально: ü при узких кольцевых зазорах между обсадными трубами и стенками скважины; ü при больших глубинах скважин; ü при высоких скоростях восходящего потока ТР (необходимы для обеспечения высокой степени замещения бурового раствора тампонажным). Механизм действия пластификаторов: блокирование активных центров на краях зерен цемента и ребрах элементарных пакетов новообразований. Это препятствует сцеплению или ослабляет силы сцепления их друг с другом и тем самым тормозит процесс структурообразования или значительно снижает прочность коагуляционной структуры, а соответственно, пластическую вязкость и динамическое напряжение сдвига. Повышение подвижности ТР, как правило, сопровождается замедлением его схватывания. В этой связи в качестве пластификаторов используют многие из ЗС, в частности, акриловые полимеры, лигносульфонаты, реагенты на основе гидролизного лигнина, НТФ (Т = 75… 100ºС, рекомендуемая добавка 0, 01… 0, 05 % от массы цемента). Кроме них есть и специально выпускаемые пластификаторы. 35

Лекция № 6 Регулирование свойств ТР и ТК с помощью химических реагентов Краткие сведения о специальных пластификаторах Марка Название Внешний вид Т, ºС Добавка, % (от массы цемента) Побочное действие С-3 суперпластификатор жидкость бурого цвета или мелкодисперсный порошок желтого цвета 50 0, 3… 0, 8 10 -03 суперпластификатор жидкость бурого цвета 50 0, 3… 0, 6 ПАЩ пластификатор адипиновый жидкость бурого цвета 75 0, 1… 1 ЦНИПС-1 пластификатор древесно-пековый паста 75 0, 05… 0, 1 сильное вспенивание ВЛХК пластификатор (смола омыленная водорастворимая) паста 100 0, 1… 0, 3 вспенивание СПД синтетическая поверхностноактивная добавка жидкость 100 0, 2… 0, 3 вспенивание Возможности использования С-3, 10 -03, ПАЩ и ЦНИПС-1 при высоких температурах не исследованы. 36

Лекция № 6 Регулирование свойств ТР и ТК с помощью химических реагентов Понизители фильтрации ТР (ПФ) Назначение: снижение объема фильтрата, поступающего в высокопроницаемые пласты, в том числе продуктивные. Во-первых, предотвращается преждевременное загустевание и неравномерное схватывание ТР, зачастую являющиеся основной причиной недоподъема его на расчетную высоту. Во-вторых, уменьшается обводнение продуктивных горизонтов, вызывающее затруднения с освоением скважин и снижение нефтегазоотдачи. Механизм действия ПФ: ü увеличение содержания в ТР связанной воды; ü повышение вязкости дисперсионной среды; ü снижение проницаемости приствольной зоны скважины (за счет образования внутренней фильтрационной корки). Для снижения показателя фильтрации ТР в основном используют бентонит (Т 200 ºС, добавка 10… 25 % от массы цемента) или полимеры, в частности: ü полисахариды: КМЦ (Т = 75… 160 ºС, добавка 10… 25 % от массы цемента); МК (Т 150 ºС, добавка 0, 2… 1, 5 % от массы цемента); МЦ (Т 60 ºС, добавка 0, 1… 1, 0 % от массы цемента). ü акриловые полимеры: гипан (Т = 75… 160 ºС, добавка 0, 1… 1, 5 % от массы цемента); ПАА (Т 100 ºС, добавка 0, 2… 0, 5 % от массы цемента); метас (Т 75 ºС, добавка 0, 2… 2, 0 % от массы цемента). ü модифицированные лигносульфонаты: КССБ (Т = 75… 130 ºС, добавка 1… 2 % от массы цемента); окзил (Т 130 ºС, добавка 0, 1… 3 % от массы цемента); ПФЛХ (Т 75 ºС, добавка 0, 1… 1, 5 % от массы цемента). Критерий выбора химического реагента – понизителя фильтрации ТР – наибольшая вязкость 1%-го водного раствора. 37

Лекция № 6 Регулирование свойств ТР и ТК с помощью химических реагентов Влияние химических реагентов на свойства ТК Замедлители схватывания, пластификаторы и понизители фильтрации, независимо от их химического состава, при добавках 0, 1… 0, 3 % (на сухое вещество) от массы цемента вызывают повышение прочности ( изг) образцов тампонажного камня 7… 360 суточного возраста. Повышение концентрации этих реагентов до 0, 5… 1 % снижает изг ТК до величины, соответствующей изг ТК из химически необработанного ТР. С ростом концентрации в ТР реагентов этих групп проницаемость ТК неуклонно снижается. При концентрации примерно равной 1 % образцы ТК 84 - суточного возраста становятся практически непроницаемыми. Действие реагентов – ускорителей схватывания на свойства ТК не столь однозначно. Так, повышение в ТР концентрации Na. Cl до 5 % вызывает неуклонный рост изг ТК, а Ca. Cl 2, наоборот, снижает изг ТК, но при концентрациях до 2 % - незначительно. Оба эти реагента с повышением их концентрации в ТР снижают проницаемость ТК. Добавки Na 2 CO 3 в количестве 1… 2 % обеспечивают получение ТК достаточно высокой прочности и низкой проницаемости, дальнейшее же повышение концентрации этого реагента приводит к замедлению скорости твердения ТР. 38

Лекция № 6 Контроль качества тампонажных цемента (ТЦ), раствора (ТР) и камня (ТК) Виды контроля ü входной контроль качества ТЦ; ü контроль при хранении ТЦ; ü контроль при подборе (разработке) рецептуры ТР; ü контроль приготовлении ТР на буровой. Входной контроль и контроль при хранении ТЦ осуществляется сотрудниками лабораторий баз УПТОК или тампонажных контор, контроль при подборе (разработке) рецептур ТР – сотрудниками лабораторий буровых и тампонажных растворов буровых предприятий. 39

Лекция № 6 Контроль качества тампонажных цемента (ТЦ), раствора (ТР) и камня (ТК) Входной контроль качества ТЦ производится при поступлении ТЦ на базу УПТОК или базу тампонажной конторы. При входном контроле измерению подлежат все параметры, нормируемые ГОСТ (ОСТ, ТУ) на ТЦ данной марки. Параметрами, измеряемыми при входном контроле, как правило, являются следующие: ü тонкость помола ТЦ; ü удельная поверхность ТЦ (реже); ü плотность и растекаемость ТР при заданном В/Ц; ü время загустевания ТР; ü сроки схватывания ТР при заданном ГОСТ (ОСТ, ТУ) режиме испытаний (Т, ºС; р, МПа); ü изг (реже сж) образцов ТК при заданных ГОСТ (ОСТ, ТУ) режиме (Т, ºС; р, МПа) и продолжительности их хранения. 40

Лекция № 6 Контроль качества тампонажных цемента (ТЦ), раствора (ТР) и камня (ТК) Тонкость помола ТЦ Стандарты и технические условия на ТЦ обычно характеризуют тонкость помола относительным содержанием двух фракций, разделенных путем просеивания через сито с размером отверстий равным 0, 08 мм (сито № 008 по ГОСТ 3584 -73). При этом в большинстве стандартов требуется, чтобы массовая доля цемента, прошедшего через это сито, составляла не менее 85 %. Масса остатка, характеризующая тонкость помола ТЦ, выражается в процентах от величины исходной навески с точностью до 0, 1 %. Тонкость помола рассчитывается как среднее арифметическое результатов двух ситовых анализов, данные которых отличаются друг от друга не более чем на 0, 2 %. Удельная поверхность ТЦ – это суммарная поверхность его частиц в 1 г порошка. Для определения удельной поверхности наиболее часто пользуются методом воздухопроницаемости, который основан на измерении сопротивления, оказываемого слоем уплотненного ТЦ просасываемому через него воздуху. Прибор для определения удельной поверхности ТЦ 1 - U - образная стеклянная трубка (манометр-респиратор); 2 – резиновая груша; 3 – плунжер; 4 – кювета. 41

Лекция № 6 Контроль качества тампонажных цемента (ТЦ), раствора (ТР) и камня (ТК) Удельная поверхность ТЦ (Sуд) : Sуд = (K M T) / m, где Sуд - удельная поверхность ТЦ, см 2/г; К - значение постоянной прибора (определяется экспериментальным путем) для той пары рисок, между которыми измерялось время опускания уровня жидкости: при высокой степени дисперсности - риски 1 и 2, при низкой - 3 и 4; Т время опускания уровня жидкости между двумя рисками, с; m - масса навески, г. M = 14 / L ( L - m / )3/2 (1 / )0, 5, где - площадь поперечного сечения слоя ТЦ в кювете, см 2; Lвысота слоя цемента в кювете, см; - вязкость воздуха при температуре опыта, д. Па с. = (184, 84 10 -12 t + 28, 964 10 -9)0, 5, где t - температура воздуха во время проведения опытов, ºС. Удельная поверхность вычисляется как среднее арифметическое результатов двух определений, отличающихся друг от друга не более чем на 200 см 2/г. Расчет ведут с точностью до 10 см 2/г. 42

Лекция № 6 Контроль качества тампонажных цемента (ТЦ), раствора (ТР) и камня (ТК) Плотность ТР определяют с помощью ареометра АБР-1, который состоит из съемного груза 1, полиэтиленовой заглушки 2, металлического балласта 3, мерного стакана 4, крышки 5 и донышка 6 поплавка, стержня 7 с нанесенными на нем основной и поправочной шкалами, пробки 8 и ведра 9. Растекаемость ТР определяется с помощью конуса Аз. НИИ (КР-1 по ТУ 25 -04 -52 -75), собственно конус которого имеет строго определенные размеры. 43

Лекция № 6 Контроль качества тампонажных цемента (ТЦ), раствора (ТР) и камня (ТК) Сроки схватывания ТР определяют с помощью прибора ВИКА путем периодического измерения глубины погружения в твердеющий ТР иглы определенного сечения под действием груза определенной массы. Прибор состоит из призматического металлического стержня 1, свободно перемещающегося в вертикальной обойме станины 2. Для закрепления стержня на желаемой высоте служит зажимной винт 3. В нижнюю часть стержня ввинчивается стальная игла 4 диаметром 1, 1 мм и длиной 50 мм. Верхняя 5 часть стержня имеет цилиндрическую форму и называется пестиком Тетмайера. Масса стержня (с пестиком и иглой) должна быть равна 300 2 г. На станине укреплена шкала 6 с делениями от 0 до 40 мм. 44

Лекция № 6 Контроль качества тампонажных цемента (ТЦ), раствора (ТР) и камня (ТК) Время загустевания ТР определяет предельные затраты времени на процесс тампонирования, по истечении которого движение ТР в заколонном пространстве скважины недопустимо из-за высокой его вязкости (высокого сопротивления течению). Приборы для определения вязкости ТР (сопротивления ТР течению), называются консистометрами (КЦ-3, КЦ-5 и др. ), а измеряемый при этом параметр - консистенцией. Шкала прибора может быть проградуирована непосредственно в единицах консистенции (Па·с) или в условных единицах консистенции (УЕК). В последнем случае по прилагаемому к прибору графику показания прибора в УЕК переводятся в Па·с. Схема консистометра КЦ-5: 1 – стакан для ТР; 2 – рамка с лопастями; 3 – электродвигатель; 4 – редуктор; 5 – кронштейн; 6 – шкала; 7 – термометр; 8 – водяная баня; 9 – электронагреватель; 10 – станина. По результатам испытаний строят кривую изменения консистенции во времени (кривую загустевания), по которой и находят время загустевания, равное времени от начала испытаний до того момента, когда консистенция ТР достигнет значения 3 Па·с. 45

Лекция № 6 Контроль качества тампонажных цемента (ТЦ), раствора (ТР) и камня (ТК) Прочность образцов ТК Определение предела прочности образцов ТК на изгиб Для испытания на изгиб образцы ТК изготавливают в виде призм с размерами 4 х 16, 2 х 10 или 1 х 3 см. Для одного испытания готовят три или четыре образца- «близнеца» размером 4 х 16 см, четыре или шесть образцов- «близнецов» размером 2 х 12 см и шесть или восемь образцов «близнецов» размером 1 х 3 см. Предел прочности на изгиб определяется с помощью разрывных машин различного типа с максимальным усилием до 5 к. Н. Чаще всего применяют разрывные машины рычажного типа, простейшая из которых является разновидностью прибора Михаэлиса. Прибор 2035 П-0, 5 значительно повышает производительность труда при испытании большого числа образцов. Приборы типа Михаэлиса надежнее и удобнее при значительных отклонениях размеров образцов от стандартных, так как в них можно регулировать скорость нагружения в зависимости, например, от поперечного сечения образца и других факторов. 46

Лекция № 6 Контроль качества тампонажных цемента (ТЦ), раствора (ТР) и камня (ТК) Определение предела прочности образцов ТК на сжатие Для определения прочности на сжатие образцы чаще всего готовят в виде кубиков различных размеров. Наибольшее распространение имеют образцы со следующей длиной ребра: 7, 07 см (площадь поперечного сечения Р = 50 см 2); 5 см (Р = 25 см 2); 2 см (Р = 4 см 2); 1, 414 см (Р = 2 см 2). Для каждого испытания изготавливается несколько образцов- «близнецов» . При определении прочности на образцах-кубиках с ребрами 7, 07 и 5 см, используют серию не менее чем из трех образцов- «близнецов» , а на образцах меньших размеров - не менее чем из четырех. При проведении научно-исследовательских работ применяют образцы и цилиндрической формы. Высота образца при этом должна быть не менее его диаметра и не более двух диаметров. Методика приготовления и выдерживания цилиндрических образцов та же, что и для образцовкубиков. Для испытаний образцов на сжатие используются различные прессы, чаще всего гидравлические. Гидравлический пресс должен быть снабжен манометром с классом точности до 0, 5. Обломки призм с исходными размерами 4 х 16 и 2 х 12 см, полученные после испытаний на изгиб, можно испытывать на сжатие. Для передачи нагрузки на ограниченную площадь обломка призмы используют специальные пластинки, изготовленные из стали. Обломок призмы зажимается между плитами пресса и пластинки. При этом площадь поперечного сечения образца, воспринимающая нагрузку, составляет 25 или 5 см 2. 47

Контроль при хранении ТЦ Лекция № 6 Производится после истечения гарантийного срока хранения на предмет оценки пригодности ТЦ к дальнейшему применению по назначению. Контролируется прочность при изгибе образцов ТК, изготовленных и выдержанных в условиях, отвечающих требованиям ГОСТ (ОСТ, ТУ) на данный цемент. Контроль производится через каждые 15 дней. Контроль при подборе (разработке) рецептуры ТР При разработке рецептуры ТР необходимо регистрировать: ü массовые доли компонентов приготавливаемого ТЦ (сухой смеси) в том случае, если используется не серийно выпускаемый ТЦ; ü массовую концентрацию химических реагентов в жидкости затворения; ü В/Ц; ü температуру жидкости затворения; ü температуру и давление режима испытаний ТР и хранения ТК. При подборе (разработке) рецептуры контролю подлежат следующие параметры ТР и ТК: плотность ТР; растекаемость ТР; показатель фильтрации ТР (ВМ-6); время загустевания ТР; сроки схватывания ТР; прочность ТК. 48

Лекция № 6 Контроль приготовлении ТР на буровой Приготовление ТР на буровой производится по рецептуре, разработанной в лаборатории ТР. Контролируемым параметром при этом является плотность ТР. В научно-исследовательской исследовательских и свойств применяют ТР и ТК практике проектных (в институтах) ряд отраслевых для научно- характеристики дополнительных показателей, характеризующих: ü седиментационную устойчивость ТР; ü проницаемость ТК; ü коррозионную устойчивость ТК; ü прочность сцепления ТК с горными породами и обсадными трубами; ü происходящие в ТК объемные изменения и др. 49

Лекция № 6 Основы экологизации и оптимизации качества буровых промывочных и тампонажных растворов Экологические свойства буровых растворов Экологизация - деятельность, направленная на предупреждение или предотвращение отрицательного воздействия на окружающую природную среду (ОПС). Актуальность экологизации буровых растворов: ü буровой раствор имеет весьма непродолжительный «жизненный цикл» , в конце которого он, как правило, весь превращается в отходы; ü буровой раствор - химическая продукция, содержащая широкий ассортимент различных материалов, химических реагентов и добавок, попадание которых в ОПС потенциально таит в себе опасность проявления негативных последствий. Опасность нанесения ущерба ОПС буровыми растворами и отработанными буровыми растворами (ОБР) связана с высокой вероятностью их попадания в различные объекты ОПС, токсичностью содержащихся в них химических веществ и высокой концентрацией последних. Пути экологизации буровых растворов: ü минимизация объемов буровых отходов и токсичности той их части, которая подлежит размещению в ОПС; ü применение экологически безопасных буровых растворов. 50

Лекция № 6 Основы экологизации и оптимизации качества буровых промывочных и тампонажных растворов Для снижения масштабов и степени загрязнения ОПС необходимо ü исключить утечки бурового раствора из всех элементов наземной циркуляционной системы (НЦС) скважины и из мест сбора образующихся отходов бурения; ü утилизировать (вторично использовать) отходы бурения путем применения в процессе сооружения скважины безамбарной технологии, заключающейся в непрерывной очистке бурового раствора от шлама, полном разделении определенной части бурового раствора на твердую и жидкую фазы; повторном использовании жидкой фазы на разбавление, приготовление новых порций бурового раствора и другие цели, а по окончании бурения – в отверждении обезвоженной твердой фазы с помощью различных вяжущих добавок, в частности, цемента. Недостатки безамбарной технологии ü большинство существующих способов обезвреживания буровых отходов, в том числе и их отверждение, являются дорогостоящими, энерго- и трудозатратными и в то же время недостаточно надежными; ü не исключается загрязнение ОПС и, прежде всего, подземных вод, содержащимися в буровом растворе вредными веществами из-за неизбежной его фильтрации в околоствольное пространство скважины и возможного поглощения. Вывод: более радикальным путем решения экологических проблем в бурении является разработка и использование экологически безопасных буровых растворов. В основе реализации этого пути лежит возможность: ü контроля токсичности бурового раствора на всех этапах его «жизненного цикла» (от разработки рецептуры до размещения отходов бурения в ОПС); ü сохранения токсичности бурового раствора в течение этого цикла в пределах, не превышающих допустимых для ОПС. 51

Спасибо за внимание!!!

Скачать презентацию Лекция 6 Бурение и освоение нефтяных и

989dbfcbd8b7d15c5c70b87da8ab7cfd.ppt

Количество слайдов: 52