БУРЕНИЕ СКВАЖИН
УДК 622.245.422
© Коллектив авторов, 2015
Исследование свойств тампонажных растворов для крепления нефтяных скважин с протяженным горизонтальным участком, пробуренных с использованием роторных управляемых систем
1
Е.В. Кожевников,
Н.И. Николаев, д.т.н.
(Национальный минерально-сырьевой
университет «Горный»),
А.А. Мелехин, к.т.н.,
М.С. Турбаков, к.т.н.
(Пермский национальный
исследовательский
политехнический университет)
Адрес для связи: melehin.sasha@mail.ru, kozhevnikov_evg@mail.ru
Ключевые слова: крепление горизонтальных скважин, тампонажный раствор, седиментация.
Studying the properties of cement slurries for cementing oil wells with long horizontal section drilled with rotary steerable systems
E.V. Kozhevnikov, N.I. Nikolaev (National Mineral Resources University (University of Mines), RF, Saint-Petersburg), A.A. Melekhin, M.S. Turbakov (Perm National Research Polytechnic University, RF, Perm
E-mail: melehin.sasha@mail.ru, kozhevnikov_evg@mail.ru
Key words: horizontal well cementing, cement slurry, sedimentation.
New wells built with rotory steerable systems have longest horizontal sections. When cementing these wells need to pay great attention to the properties of cement slurries, because of the probability of its sedimentation and, as a consequence annulus flows. Annular flows during the exploitation of oil and gas wells significantly reduce the efficiency of field development in general. One of the main causes of the annular flow is the use of cementing compositions which do not satisfy the conditions of the well. The results of studies of the effect of different mineral additives on the properties of cement slurry are presented. Expanding, sedimentation stability and highly mobile cementing compositions for attaching directional and horizontal wells and sidetracks are offered.
При строительстве скважин на месторождениях с трудноизвлекаемыми запасами углеводородов нередко применяются роторные управляемые системы, позволяющие бурить скважину сложного профиля с протяженными горизонтальными участками. Практика цементирования таких скважин показывает, что при их эксплуатации расслоение цементного раствора у верхней границы ствола приводит к возникновению заколонных перетоков [1-5].
По результатам исследований, выполненных на модели горизонтального участка скважины, была создана композиция без водоотделения при соотношении количества глиноземистого цемента (ГЦ) к количеству портландцемента тампонажного (ПЦТ), равном 1:4. Однако данный цементный раствор имеет высокую начальную консистенцию (16 Вс), которая интенсивно возрастает и через 50 мин достигает 20 Вс и далее продолжает увеличиваться, что приводит к ухудшению прокачиваемости раствора. В связи с этим были проведены исследования влияния соотношения ГЦ/ПЦТ на подвижность цементного раствора и физико-механические свойства цементного камня. Результаты представлены в табл. 1. Из нее видно, что увеличение концентрации глиноземистого цемента значительно снижает подвижность раствора в ранние сроки твердения в связи с тем, что повышение показателя ГЦ/ПЦТ в смеси способствует ускоренному образованию быстротвердею-щих минералов, таких как трехкальциевый гидроалюминат. Добавка глиноземистого цемента также способствует расширению камня при одновременном снижении его прочностных и адгезионных характеристик.
Таблица 1
Консистенция, Вс Прочность, МПа, на ^ с Расширение через 2 сут, %
ГЦ/ПЦТ начальная через 60 мин изгиб сжатие через 2 сут сжатие через 7 сут Адгезия стали, МП
0,26 16 27 4,7 13,0 18,7 1,6 0,3
0,36 15 32 3,0 5,6 14,7 1,4 0,5
0,40 14 50 1,1 1,9 8,8 0,9 0,5
Уменьшение прочности вызвано различной скоростью твердения ПЦТ и ГЦ, так как гидратация алюминатных составляющих глиноземистого цемента происходит быстрее с пересыщением раствора продуктами гидратации и снижением растворимости портландцемента. В результате каркас полученного камня представлен слабыми минералами гидроалюмината кальция.
Как видно из рис. 1, при повышенном содержании глиноземистого цемента в смеси камень в ранние сроки твердения имеет крупнокристаллическую структуру. Это подтвер-
Рис. 1. Микрофотография цементного камня, получаемого на основе смеси ПЦТ и ГЦ
Исследования выполнены за счет гранта Российского научного фонда (проект №15-17-00027) в Пермском национальном исследовательском политехническом университете
ждается результатами исследований Ф.В. Лохера [6]: при избытке алюминатных составляющих в цементе на поверхности его зерен образуются оболочки гидроалюминатов кальция, имеющие объемную рыхлую спутано-волокни-стую структуру, что приводит к раннему схватыванию и обусловливает низкую прочность камня, хотя в дальнейшем его прочность значительно увеличивается.
Для уменьшения начальной консистенции цементного теста в тампонажный состав вводят химически инертные наполнители, характеризующиеся существенно меньшей удельной поверхностью по сравнению с вяжущими [7]. Исследовалось изменение консистенции базового состава при частичной замене портландцемента на кварцевый песок в массовом количестве 20, 30 и 40 %. Установлено, что замена части вяжущего на кварцевый песок способствует снижению начальной консистенции раствора (рис. 2).
Таблица 2
Рис. 2. Зависимость изменения консистенции тампонажных растворов от содержания песка
Кроме того, при соотношении ГЦ/ПЦТ, равном 0,36 и 0,4, в растворе водоотделение отсутствует. Это свидетельствует о положительном влиянии наполнителя на седимен-тационную устойчивость системы (табл. 2). Введение кварцевого песка в состав цементного раствора должно существенно отразиться на свойствах цементного камня, что подтверждается результатами исследования, представленными в табл. 3.
Для повышения контактной прочности цементного камня с породой и обсадной колонной твердеющему тампо-нажному составу необходимо обеспечить объемное расширение вплоть до момента образования цементного камня. В большинстве расширяющихся цементов используется кристаллизационное давление трехсульфатной формы гид-росульфоалюмината кальция. Для кристаллизации этого соединения необходимо присутствие в водном растворе ионов Са2+, А13+ и SO42- при достаточно высоком рН среды [8]. Однако образование эттрингита на стадии кристаллизации приводит к позднему расширению структуры с последующим ее разрушением. В связи с этим для тампонажных цементов значительно больше подходят расширяющие добавки на оксидной основе, которые создают кристаллизационное давление в результате образования труднорастворимых гидроксидов на стадиях гидратации и коагуляции. Авторы использовали в качестве расширяющейся добавки к базовому составу оксид кальция (СаО). Исследования проводились с добавкой негашеной извести в количестве от 2 до 10 %. Установелно, что добавка негашеной извести способствует улучшению прочностных характеристик камня и его расширению (рис. 3). Во всех случаях при увеличении содержания СаО в смеси до 10 % прочность тампонажного камня на изгиб увеличивается на 60 % и более. Наибольшая
ГЦ/ПЦТ Добавка песка, % Водоотделение тампонажного раствора в горизонтальном цилиндре, см3
0,26 20 0,1
30 0,3
40 0,6
0,36 20 0,0
30 0,0
40 0,0
0,40 20 0,0
30 0,0
40 0,0
Таблица 3
Добавка
Свойства тампонажного раствора
Прочность, МПа, на
песка, % изгиб сжатие через 2 сут сжатие через 7 сут стали, МПа через 2 сут, %
0 3,0 5,6 14,7 1,40 0,5
20 2,9 6,4 8,6 0,92 -
30 2,0 3,9 6,5 0,85 -
40 1,1 2,3 4,6 0,76 -
Примечание. Соотношение ГЦ/ПЦТ равно 0,36.
Рис. 3. Зависимость физико-механических свойств тампонажного камня от содержания СаО
Рис. 4. Изменение консистенции тампонажных растворов во времени
велечина адгезии к стали наблюдается при добавке СаО в количестве от 4 до 6 %.
Исследования влияния расширяющей добавки на консистенцию тампонажного раствора показали, что повышение содержания гидроксида кальция способствует сохранению подвижности раствора в течение длительного времени (рис. 4).
Снижение консистенции тампонажного раствора при добавке СаО связана с ускоренным переходом одно- и двух-кальциевых гидроалюминатов в более устойчивую форму -трехкальциевый гидроалюминат, обладающий замедляю-
НЕФТЯНОЕ ХОЗЯЙСТВО
09'2015 59
Таблица 4
Номер состава Содержание СаО, % Растекаемость, см .о т о ~ Консистенция, Вс Время загустевания до консистенц ии, Вс Сроки схватывания, мин Прочность камня, МПа, на Линейное расширение через 2 сут, % Адгезия к стали через 2 сут, МПа
ГЦ/ПЦТ О S н/ 5 5 л начальная через 60 мин 30 50 Начало Конец изгиб через 2 сут сжатие через 2 сут сжатие через 7 сут
1 0,36 5 24 1820 10 16 260 300 380 450 3,1 7,4 12,3 3,7 1,44
2 0,36 7 23 1835 11 15 295 320 390 440 3,3 8,2 13,3 5,9 1,35
Примечание. Помимо СаО, оба раствора содержат одинаковое количество кварцевого песка (20 %), стабилизатора ГЭЦ 400 (0,2 %), суперпластификатора С-3 (1,3 %) и пеногасителя (0,05 %).
Рис. 5. Зависимость консистенции тампонажных растворов от содержания негашеной извести и кварцевого песка при соотношении ГЦ/ПТЦ, равном 0,36
щими вяжущими свойствами [9,10] Скорость перехода напрямую зависит от количества свободного гидроксида кальция.
Однако, значительное увеличение сроков загустевания наблюдается только при совместной добавке кварцевого песка и негашеной извести (рис. 5). Их совместное действие обусловлено тем, что в начальный период времени избыток гидроксида кальция способствует образованию рыхлых малопрочных минералов трехкальциевого гидроалюмината на частицах цемента. Увеличение времени загустевания до продолжительности инкубационного периода портландцемента значительно повышает прочность получаемого камня, так как его каркас усиливается прогидратированны-ми зернами основного минерального вяжущего.
Таким образом, результаты, полученные при проведении экспериментальных исследований свойств тампонажного раствора и камня позволили разработать композицию се-диментационно устойчивой расширяющейся тампонажной смеси для крепления скважин и боковых стволов с наклонными и горизонтальными участками, состав и свойства которой представлены в табл
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.