Дипломная работа: Проектирование наклонно-направленной скважины на Киенгопском месторождении. Применение расширяющихся тампонажных материалов

С этим, в свою очередь, связаны явления расширения и набухания специальных растворов, вызывающих увеличение прочности связи цементного кольца со стенками скважин и обсадными колонами. В связи с этим была поставлена задача оценить влияние гидродинамических условий нагнетания расширяющихся растворов в скважину, обеспечивающих получение максимального эффекта повышения герметичности цементного кольца.

3.1 Причины возникновения водоперетоков

Заколонные водоперетоки при строительстве и освоении скважин могут возникать в силу первичных и вторичных причин. К первичным относятся низкое качество подготовки призабойной зоны пласта (ПЗП) к заполнению тампонажным раствором, наличие глинистой корки на стенках скважины, качество буферных жидкостей (БЖ), а также недостаточность отдельных свойств тампонажного материала, таких как контракция (усадка), прочность цементного камня, седиментационная устойчивость (водоотделение) и условная водоотдача (УВО).

Вторичные причины определяются особенностями перфорации скважин: интервалом перфорации, числом перфорируемых отверстий на единицу длины обсадной колонны, мощностью зарядов, применением щелевой, сверлящей и других щадящих видов перфорации, а также коррозионной стойкостью цементного камня в пластовых условиях и его проницаемостью.

Интересно отметить, что на практике требования по коррозионной стойкости цементного камня обычно предъявляются только при содержании сероводорода в скважине, тогда как состав пластовой воды, который также нередко оказывает коррозионное воздействие на цементный камень, не принимается во внимание. Вместе с тем, повышение коррозионной стойкости цементного камня позволяет снизить риск возникновения водоперетоков и МКД в скважине в процессе ее эксплуатации.

Кроме того, к вторичным причинам водоперетоков относится гидроразрыв пласта (ГРП), проведение которого, особенно при небольшой толщине нефтяного пласта, существенно увеличивает риски появления в скважине водопритоков.

3.2 Принципы борьбы с водоперетоками с применением расширяющегося тампонажного материала

Процесс гидратации расширяющейся добавки на основе СаО начинается с момента ее затворения в воде. Учитывая, что процесс цементирования может продолжаться от 1 до 2-х часов и более, необходимо подбирать рецептуру расширяющегося тампонажного материала таким образом, чтобы сохранялись расширяющиеся свойства добавки и после завершения процесса цементирования. Как показывают исследования, длительность процесса цементирования приводит к снижению величины расширения цементного раствора камня. Если же процесс гидратации СаО завершается до завершения цементирования или до начала загустевания тампонажного раствора, применение расширяющихся добавок не дает положительного эффекта.

Представим себе небольшую вертикальную часть кольцевого пространства открытого ствола скважины с высотой условно в единицу. Мы уже говорили о том, что расширяющийся тампонажный материал в условиях свободного расширения расширяется во все стороны одинаково. Но твердеющий и расширяющийся цементный камень не является упругим телом, и напряжения, создающиеся в нем, не перераспределяются по направлениям.

В вертикальном направлении наше кольцо создает давление расширения вверх и вниз. Но сверху и снизу находятся точно такие же кольца твердеющего цементного камня, которые создают точно такое же давление сверху и снизу и компенсируют давление расширения нашего кольца (рис. 3.2.1, а). Таким образом, расширение в вертикальном направлении происходит только у верхней границы РТМ в скважине, а энергия расширения расходуется на зарастание пор и самоуплотнение цементного камня.

Рис.3.2.1 Процесс расширения РТМ в скважине:

а - вертикальный разрез; б - горизонтальный разрез

В горизонтальном сечении (рис. 3.2.1, б) в направлении по касательной к обсадной колонне наблюдаем похожий процесс. Соседние секторы компенсируют расширение друг друга. Отношение толщины цементного кольца (35 мм) к средней длине его окружности ~ 570 мм) составляет 0,06, поэтому силы, действующие по касательной к обсадной колонне, увеличивают расширение в радиальном направлении незначительно и ими с достаточной степенью точности для упрощения задачи можно пренебречь. Расширению в сторону обсадной колонны препятствует сама колонна, с которой расширяющийся цементный камень создает плотный напряженный контакт. В результате мы получаем одноосное горизонтальное расширение, направленное от обсадной колонны к стенке скважины. За счет этого уплотняется глинистая корка и частично заполняются незамещенные зоны бурового раствора. В наклонно направленных скважинах вектор давления расширения направлен перпендикулярно оси обсадной колонны

Исследования показывают, что при введении расширяющихся добавок (РД) на основе оксида кальция с увеличением объемного расширения раствора-камня прочность цементного камня снижается, о чем свидетельствуют результаты испытаний РТМ с расширяющейся добавкой марки «СИГБ», приведенные в табл. 3.2.1. Как видно из данных табл., расширение цементного камня возрастает с увеличением содержания РД в составе сухой смеси однако прочность цементного камня с увеличением расширения снижается; Для состава с содержанием РД марки «СИГБ» в количестве 8% прочность цементного камня на изгиб через двое суток составила лишь 0,5 МПа, что не удовлетворив требованиям ГОСТ 1581-96. Исследования изменения прочности цементного камня из РТМ показывают, что прочность со временем возрастает, то есть цементный камень с расширяющейся добавкой в процессе твердения имеет свойство частично восстанавливать прочность или «самозалечиваться».

Таблица. 3.2.1 Влияние содержания «СИГБ» на показатели тампонажного раствора и цементного камня

Процесс расширения тампонажного раствора-камня с РД на основе СаО обычно продолжается от нескольких ча-сов до 2 - 3 суток в зависимости от температуры твердения тампонажного раствора и температуры обжига карбоната кальция при ее декарбонизации. Динамика расширения цементного раствора-камня в зави-симости от количества РД в сухой смеси приведена на рис. 3.2.2. Из приведенных графиков видно, что расширение цементного раствора-камня при нормальной температуре начинается только после 2,5 - 3-х часов твердения в покое. При этом темпы расширения раствора-камня определяются количеством РД в нем. Если для состава с содержанием РД в количестве 2% после 48 часов твердения расширение составляет лишь 0,74%, с увеличением добавки в два раза (до 4%), расширение возрастает более чем в пять раз - до 3,73%. Таким образом, расширение цементного раствора-камня растет с увеличением содержания РД непропорционально ее содержанию в смеси. При малых количествах РД, до 1 -1,5%, расширение может вообще не проявляться.

Рис. 3.2.2 Динамика расширения цементного раствора-камня в зависимости от содержания «СИГБ»

Величина давления от расширяющегося цементного раствора-камня на ограничивающие ее поверхности зависит от прочности структуры цементного камня, которая возрастает по мере гидратации цемента. При позднем расширении цементный камень оказывает большее давление на стенки скважины, что является положительным, однако расширение цементного камня в поздние сроки его твердения приводит к разрушению ее структуры. В результате при определении прочности цементного камня по ГОСТ 26798.1 - 96 позднее расширение приводит к большему снижению его прочности, что является одной из причин, осложняющих его применение.

Как показывают исследования, если действие РД продолжается более суток, дальнейшее расширение образцов в свободном состоянии приводит к существенному снижению прочности цементного камня, и даже может привести к его саморазрушению. Если же твердение образцов из РТМ будет продолжаться до момента испытания в ограниченных условиях, например в формах, что ближе к условиям твердения цемента в скважине, их прочность оказывается значительно выше.

Основной причиной снижения прочности цементного камня при расширении является позднее расширение. Если же процесс расширения тампонажного раствора- камня завершается в течение суток, когда образец твердеет в форме, существенного снижения прочности цементного камня не происходит, что подтверждается результатами испытания образцов цементного камня с расширяющейся добавкой марки ДР-50, приведенных на рис. 3.2.3, расширение которых завершается за 16 - 20 часов твердения.

Рис. 3.2.3Влияние количества ДР-50 на расширение и прочность цементного камня

Так, например, прочность цементного камня на изгиб с увеличением содержания с ДР-50 до 10% в составе сухой смеси снизилась лишь с 4,12 до 3,4 МПа, а на сжатие - с 11,9 до 6,25 МПа, что удовлетворяет требованиям норм по прочности.

Одной из проблем при разработке рецептур РТМ является управление его свойствами, и прежде всего его расширением. Для определения влияния ускорителей схватывания на величину и динамику расширения раствора-камня были проведены сравнительные испытания цементно-зольной смеси с содержанием расширяющейся добавки СаО в количестве 10% "от массы смеси. В качестве ускорителя твердения применялась солевая композиция (СК) (технические условия ТУ6-46 00204872 19 92), представляющая собой солевую смесь с содержанием: CaCl₂ - 53%, NaCl - 38%, Н₂О (связанная) -8%, CaS0₄ - 0,5%, Са(ОН)₂ - 0,2%, Остаток - 0,3%.

При введении в тампонажный состав ускорителя твердения конечная величина расширения существенно снижается. Если расширение состава без СК через 24 часа составило 10,87%, при добавлении в этот же состав СК его расширение снизилось почти в 5 раз и составило лишь 2,18%. И это несмотря на то, что СК сама по себе проявляет некоторые расширяющие свойства.

На рис. 3.2.4 представлена динамика расширения и схватывания тампонажных составов, показатели которых приведены в табл. 3.2.2. Показатели схватывания тампонажных растворов определялись по игле Вика. Динамика схватывания тампонажного раствора отражает нарастание прочности формирующейся структуры цементного раствора-камня во времени.

Рис. 3.2.4. Влияние ускорителя твердения (СК) на динамику расширения цементного раствора-камня и сроки схватывания тампонажного раствора

Анализ динамики расширения цементно-зольных составов, приведенных в табл. 3.2.2, показывает, что введение солевой композиции приводит к более раннему началу расширения цементного раствора-камня. Однако расширение этого состава и завершается раньше, чем у состава без добавки солевой композиции. Начало расширения состава без добавки СК начинается на час позже, но уже к пятому часу твердения показатели его расширения сравниваются с расширением состава с добавкой СК.

Таблица 3.2.2 Влияние солевой композиции на свойства цементно-зольного тампонажного материала с добавкой негашеной извести

Можно предположить, что солевая композиция оказывает тормозящее действие на химические процессы, приводящие к расширению тампонажного материала. Однако анализ динамики расширения показывает, что расширение состава с добавкой СК начинается раньше и его темпы в первые часы твердения оказываются больше, чем для состава без добавки СК. Более раннее начало расширения для состава с СК объясняется ускорением его загустевания и схватывания и более ранним формированием его структуры, что подтверждается динамикой схватывания по игле Вика.

Сравнение динамики расширения представленных составов с динамикой их схватывания (рис. 3.2.4) показывает, что наблюдается зависимость темпов расширения от темпов схватывания, что свидетельствует о зависимости расширения раствора-камня от прочности его структуры.

С началом формирования структуры цементного камня увеличивающиеся в объеме частицы расширяющейся добавки оказывают давление через формирующийся структурный каркас цементного камня на ограничивающие объем стенки. С увеличением прочности структуры раствора-камня темпы расширения снижаются, так как упрочняющаяся структура цементного камня оказывает все большее сопротивление расширяющимся частицам РД. В результате с увеличением прочности структуры расширение может происходить все больше в поры, которых в цементном камне предостаточно.