L БУРЕНИЕ СКВАЖИН
L А
УДК 622.244.442.063
© С.Е. Чернышов, А.А. Куницких, М.В. Вотинов, 2015
Исследование динамики гидратации и разработка составов расширяющих добавок к тампонажным растворам1
С.Е. Чернышов, к.т.н., А.А. Куницких, М.В. Вотинов
(Пермский национальный исследовательский политехнический университет)
Адрес для связи: nirgnf@bk.ru
Ключевые слова: расширяющийся тампонажный раствор, оксидное расширение, динамика расширения, качество крепления обсадных колонн, цементный камень, нефтедобывающая скважина.
Research of hydration dynamics
and development of expanding additives
to oil-well cement
S.E. Chernyshov, A.A. Kunitskikh, M.V. Votinov
(Perm National Research Polytechnic University, RF, Perm)
E-mail: nirgnf@bk.ru
Key words: expanding cement slurry, oxide expanding, dynamics of expanding, quality of casing, cement stone, producing oil well.
The expanding processes of cement slurries are considered and the assessment the dynamics of expansion is made. Results of researches of dynamics and value of expansion of the main types of the expanding additives to cement slurries for casing of oil and gas wells are presented. The analysis of various types of the expanding additives with adjustable dynamics of expansion is made and recommendations for application of expanding additives are given.
Состояние цементного кольца за обсадной колонной непосредственно влияет на герметичность разобщения продуктивных и водоносных горизонтов и изоляцию обсадных колонн от негативного влияния пластовых флюидов [1-4]. Низкое качество крепи скважины приводит к возникновению межколонных давлений, появлению грифонов, межпластовым перетокам и преждевременному обводнению продукции скважин. Для исключения возникновения указанных осложнений цементный камень должен обладать, во-первых, низкой проницаемостью, во-вторых, хорошей адгезией к горным породам и обсадной колонне, в-третьих, высокими прочностными показателями. Даже при выполнении этих требований не всегда удается получить герметичную крепь скважины. Одним из способов решения данной задачи является использование в тампо-нажных составах расширяющих добавок, однако это снижает прочность цементного камня. Современные упрочняющие добавки и существующие теории прочности тампонажного камня рассмотрены в работе [1].
Главным направлением повышения качества заканчи-вания скважин является максимально возможное сохранение фильтрационно-емкостных свойств продуктивных пластов [5]. Добывающие предприятия все больше внимания уделяют щадящим методам вторичного вскрытия, исключающим раннее обводнение скважин. Традиционно применяемый метод кумулятивной перфорации не обеспечивает сохранность крепи скважин и приводит к образованию заколонных перетоков в результате разрушения цементного камня за обсадными трубами. Все чаще вторичное вскрытие продуктивных
пластов выполняют методом щелевой гидропескоструйной перфорации, которая не только обеспечивает сохранность крепи скважин, но и повышает их продуктивность. Однако, чтобы эффективность данного метода не снижалась, на этапе цементировочных работ должна быть получена герметичная крепь скважины [6].
В последние годы для повышения качества крепления скважин нефтяные компании стали широко применять расширяющиеся тампонажные материалы [7]. Для того, чтобы собственные напряжения привели к значительному расширению цементного камня без ухудшения его свойств, он должен быть способен к своеобразной пластической деформации, при которой нарушенные смещением контакты между элементами структуры восстанавливались бы в ходе последующего твердения. При этом важно согласование кинетики гидратации базового цемента и расширяющей добавки. Быстрая гидратация расширяющей добавки (до образования структуры цементного камня) не приведет к расширению цементного камня, поскольку энергия расширения затрачивается на раздвиже-ние зерен цемента или несвязанных продуктов твердения, находящихся еще в цементно-водной суспензии. Поздняя гидратация расширяющей добавки может привести к разрушению цементного камня из-за образования прочной кристаллизационной структуры, которая может не выдержать внутренних напряжений при увеличении объема расширяющего компонента. Поэтому для тампонажных цементов считается оптимальным получать расширение в период 1-2 сут, когда структура базового вяжущего достаточно эластична [8]. Кроме того, темпы расширения твердеющего цементного раствора зависят от прочности
1 Исследования выполнены при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках реализации федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» (Соглашение № 14.577.21.0143, RFMEFI57714X0143).
структуры формирующегося цементного камня. В результате чем выше прочность последнего, тем больше требуется усилий, чтобы подвергать его пластическому течению или разрушению, следовательно, и расширению [9-11].
Рассмотрим подробнее влияние расширяющих добавок на основные технологические свойства тампонаж-ного растовора - камня. Существует несколько типов расширения.
1. Сульфоалюминатный. В твердеющем цементном камне образуется избыточное количество гидросуль-фоалюмината кальция (эттрингита). Действие расширяющей добавки основано на взаимодействии между гидроалюминатами кальция и сульфатом кальция. Процесс протекает в еще не затвердевшей массе и применяется главным образом для получения быстросхваты-вающихся цементов с небольшим расширением. Большая часть этих цементов в основном эффективна при температуре твердения до 80-100 °С. При больших температурах цементы разрушаются.
2. Оксидный (оксиды кальция и магния). Расширение обеспечивается за счет образования гидроксида кальция и/или гидроксида магния, имеющих больший объем по сравнению с первоначально взятым объемом добавок. Кинетика гидратации оксидов кальция и магния регулируется температурой обжига и степенью дисперсности известняка и магнезита, а также вводом различных модифицирующих добавок. Добавка в цемент 5-10 % магнезита и 10-20 % доломита, обожженного при температуре 700-900 °С, обеспечивает объемное расширение цементного камня до 0,5 % в течение 48 ч. Если обжигать доломит при температуре 1200-1300 °С, то он может служить хорошей расширяющей добавкой в цементы для температуры до 180 °С. Добавка оксида магния в виде «мертво-жженого» переклиза подходит для высокотемпературных тампонажных цементов (температура более 180 °С).
3. За счет применения выделяющих газ добавок. В практике строительства нефтяных и газовых скважин этот тип расширения редко применяется, поскольку при высоких давлениях выделяющийся газ может растворяться в поровой жидкости цементного камня, кроме того, он не позволяет оценить качество цементировочных работ методами АКЦ [12, 13].
Необходимо, чтобы механизм расширения, обеспечивая герметичность крепи, давал возможность избежать возникновения больших внутренних напряжений в цементном камне, которые могли бы разрушить его, а образующиеся при расширении пустоты могли быть заполнены при продолжающейся гидратации тампонаж-ной смеси. Исходя из этого линейное расширение должно составлять не более 5-8 %, а объемное - 1-2 %. Для скважинных условий наиболее эффективен оксидный тип расширения тампонажного состава.
В Лаборатории технологических жидкостей для крепления и ремонта скважин Пермского национального исследовательского политехнического университета выполнены исследования по оценке динамики расширения и выбору расширяющих добавок. Основой для рассматриваемых тампонажных растворов служил цемент марки ПЩЧ^-СС1 производства ОАО «Сухоложскце-мент». Рецептура базового тампонажного состава с регулируемыми технологическими свойствами была выбрана в соответствии с патентами [14, 15] и включала:
1) пластифицирующую добавку на основе поликар-боксилатов - для улучшения прокачиваемости цементного раствора и более полного замещения бурового раствора цементным;
2) понизитель фильтрации на основе гидроксиэтил-целлюлозы - для снижения фильтрации жидкости за-творения из цементного раствора в интервалах проницаемых пластов, стабилизации раствора и повышения его седиментационной устойчивости;
3) пеногаситель - для облегчения удаления из тампо-нажного раствора вовлеченного воздуха, что обеспечивает создание плотного низкопроницаемого цементного камня;
4) расширяющие добавки - для исключения усадки цементного камня при его твердении, обеспечения расширения тампонажного раствора - камня.
В табл. 1 приведена рецептура базового тампонажного состава.
Основные технологические свойства базового тампо-нажного раствора представлены ниже.
Плотность, г/см3.........................................................1,85
Растекаемость, мм.......................................................230
Водоотделение, мл...........................................................0
Показатель фильтрации
при давлении 690 кПа, см/30 мин..............................29
Время реакции гидратации чистого оксида кальция составляет около 0,5-1 мин, что недопустимо при получении расширяющегося тампонажного состава для крепления обсадных колонн. Для того, чтобы этого избежать, было исследовано влияние следующих химических веществ на время реакции гидратации природного оксида кальция, обожженного при температуре 1200 °С в лабораторной печи: ангидрита (CaSO4); КССБ-2М; медного купороса (CuSO4); сульфонола; стекла натриевого жидкого; Atren light; метасиликата натрия (Na2SiO3); ФХЛС-МН.
Для определения времени «гашения» готовилась сухая смесь из оксида кальция и замедляющего реагента, которая затворялась пресной водой при водосмесе-вом отношении, равном 0,7. Временем гидратации считался интервал от момента затворения сухой смеси до момента закипания жидкости затворения. В ряде случаев замедляющий реагент предварительно растворяли в жидкости затворения.
Данные исследований замедления реакции гидратации оксида кальция приведены в табл. 2. Установлено, что введение в тампонажный состав медного купороса не приводило к схватыв
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.