» » Тампонажные материалы для крепления обсадной колонны

Тампонажные материалы для крепления обсадной колонны

03.08.2016

Цементный камень высокой прочности в заколонном пространстве не всегда и в не полной мере соответствует особенностям работы крепи в условиях действия переменных термомеханических нагрузок и современным повышенным технологическим и экологическим требованиям.
Жесткое крепление обсадной колонны в скважине, основанное на получении высокопрочного цементного камня, приводит либо к разрушению цементного кольца, либо к слому обсадных труб при действии на крепь знакопеременных нагрузок (например, пуск или остановка высокотемпературных, геотермальных скважин, нагнетание пара в пласт и т.д.), превышающих физико-механические параметры цементного камня и усталостные прочностные характеристики обсадной колонны.
Цементное кольцо также подвержено растрескиванию и разрушению бурильным инструментом в процессе бурения и проведения СПО. Этот факт особенно ярко проявляется в сверхглубоком бурении, где выполняется значительное количество СПО в достаточно протяженных по длине обсадных колоннах.
Опасным для цементного кольца и крепи в целом являются проведение кумулятивной и пулевой перфорации, а также опрессовка обсадной колонны. При этом деформация цементного камня сопровождается образованием зазора между обсадной колонной и цементным кольцом, а также его растрескиванием.
В этой связи выбор типа тампонажного материала в технологии крепления скважин имеет важное значение.
Минеральные тампонажные материалы. Большинство из известных минеральных вяжущих веществ может быть использовано в качестве базовых тампонажных материалов. К важнейшим из них относятся: портландцемент; металлургические шлаки; кальциевосиликатные вяжущие вещества гидротермального твердения; магнезиальные вяжущие вещества; глиноземистый и гипсоглиноземистый цементы; гипсовые вяжущие вещества; вяжущие вещества на основе водорастворимых силикатов.
Наиболее распространённые минеральные тампонажные материалы на базе портландцементов, которые даже модифицированные облагораживающими добавками имеют определённый диапазон их эффективного использования.
Применение минеральных тампонажных материалов в ряде случаев ограничено из-за сложных горно-геологических или технологических условий. Причины этих ограничений являются следствием природных особенностей исходных минералов и технологии их обработки.
1. Минеральный тампонажный камень имеет относительно высокую водогазонефтепроницаемость, что может быть причиной потери герметичности всей крепи в целом.
2. Минеральные тампонажные материалы подвержены коррозионному воздействию со стороны пластовых флюидов.
3. Минеральный тампонажный камень теряет прочность под действием перепада температур, особенно в циклическом режиме.
4. Адгезия тампонажного камня к металлу колонн и горным породам незначительна, что благоприятствует прорыву пластовых флюидов по границе раздела «камень-колонна» и «камень-порода».
5. Твердение минеральных тампонажных материалов сопровождается усадкой, что приводит к возникновению зазоров, трещин и пустот.
6. Камень минеральных тампонажных растворов в определённых условиях интенсифицирует диффузионный и ионообменный массоперенос, что чаще всего приводит к его разрушению.
7. При достаточно высокой механической прочности камень из минерального тампонажного раствора характеризуется хрупкостью и низкой пластичностью. Он разрушается при воздействии на него ударных нагрузок (удары инструмента при спускоподъемных операциях, гидравлические удары, перфорационные работы и пр.).
Последствия некачественного тампонирования заколонного пространства скважин, а также ситуации, приводящие к разрушению цементного камня за колонной, влекут за собой осложнения, требующие ремонта, а в отдельных случаях и ликвидации скважин.
Тампонажные растворы на основе минеральных вяжущих обладают рядом особенностей, которые приходится учитывать при использовании их для тампонирования ствола.
• Минеральные растворы из-за высокой плотности базового минерального вяжущего (3000-4000 кг/м3) характеризуются высокой плотностью и, как следствие, невысокой седиментационной устойчивостью, что создаёт трудности поддержания однородности тампонажной суспензии в объёме.
• Сроки схватывания минеральных тампонажных растворов имеют ограниченный диапазон регулирования и, как правило, технологические свойства раствора и камня в результате этого регулирования ухудшаются.
• Водоцементные дисперсии обладают высокой вязкостью и пластической прочностью и их циркуляция связана с высокими гидродинамическими давлениями, что часто, с учётом высокой плотности, приводит к гидроразрывам пород и поглощениям.
• Фильтратоотдача тампонажных растворов очень высокая, что негативно сказывается и на самом тампонажном растворе (обезвоживание раствора и связанное с ним повышение давления при вытеснении раствора за обсадную колонну) и на ПЗП (увеличение ЗП).
• Минеральные тампонажные растворы и особенно их фильтраты активно реагируют с пластовыми флюидами.
• В процессе загустевания и начала твердения минеральных тампонажных растворов происходит снижение давления тампонажного раствора на стенки скважины, что провоцирует межпластовые перетоки, заколонные проявления и т. п.
Полимерные тампонажные материалы. Полимерные тампонажные материалы отличаются рядом достоинств - низкая вязкость исходных продуктов, устойчивость к воздействию агрессивных сред, высокая адгезия к металлу и породе и др.
Связующую основу полимерных тампонажных материалов составляют низкомолекулярные органические полимеробразующие составы и некоторые макромолекулярные соединения. В настоящее время известно много рецептур тампонажных материалов, в которых вяжущей основой являются полимеры и полимеробразующие составы. Чаще всего их используют при капитальном ремонте скважин. Ограниченное распространение полимерных материалов для крепления скважин вызвано их высокой стоимостью по сравнению с минеральными тампонажными цементами.
Выделяются следующие основные направления использования полимерных тампонажных материалов:
1) тампонирование заколонного пространства при наличии пластов, склонных к поглощениям и гидроразрыву;
2) тампонирование заколонного пространства скважин на месторождениях с малой толщиной разобщающих перемычек;
3) тампонирование заколонного пространства при наличии агрессивной среды;
4) предотвращение выноса песка из слабосцементированных коллекторов.
Выбор тампонажных материалов для первичного цементирования скважины
Высокая эффективность тампонажных работ может быть достигнута при условии учета комплекса факторов, включающего геолого-технические условия, физико-химические, технологические, технико-экономические и санитарно-гигиенические особенности.
Тампонажные материалы для крепления обсадной колонны

Основанием для выбора тампонажного материала являются (рис. 4.35):
• плотность тампонажного раствора.
• температурный диапазон
• компонентный состав.
• тип вяжущего.
Цементы классов «А», «В» и «С» (по классификации АНИ) -это цементы тонкого помола, поэтому они при затвердевании требуют большего расхода воды и выход у них соответственно больше. Данные цементы схватываются быстрее, чем цементы «G» или «Н». Обычно цементы классов «А», «В» и «С» лучше использовать при низких температурах и в скважинах, где требуется применение цементных растворов низкой плотности (рис. 4.36).
Тампонажные материалы для крепления обсадной колонны

Цементы марки G и марки «Н» - это цементы более грубого помола, требуют меньшего количества воды, и, следовательно, выход цементного раствора при их использовании меньше; схватываются данные виды цементов медленнее. В связи с этим цементы марки «G» и «Н» лучше подходят для использования в скважинах с высокими температурами.
При использовании различных добавок можно приготовить раствор, подходящий практически для любых условий. Тем не менее применение надлежащего типа цемента позволяет снизить количество необходимых добавок, а следовательно, и затраты.
Специальные типы тампонажных цементов
Цементные растворы, сбалансированные по гранулометрическому составу (тип CRETE), состоят из крупнодисперсных частиц, частиц среднего размера и тонкодисперсных частиц. Обычно тонкодисперсные частицы - это мелкодисперсный кремнезём. Частицы среднего размера - это портландцемент, а крупнодисперсные частицы - это шаровидные частицы добавок в зависимости от назначения цементного раствора (полые керамические шарики, полые стеклянные шарики, гранулы полимера с малой удельной массой для облегчённых цементов или твердые частицы с большой удельной массой для утяжелённых цементов) (рис. 4.37).
Тампонажные материалы для крепления обсадной колонны

Преимущества цементов, сбалансированных по гранулометрическому составу: их плотность не влияет на реологию; оптимальное водоцементное соотношение; низкая проницаемость; быстрый набор и повышенная прочность на сжатие; повышенная механическая выносливость; высокая подвижность в период до начала схватывания; меньшая потребность в регулировании свойств. Процентное содержание каждого компонента подбирают таким образом, что достигается практически идеальная упаковка частиц, при которой значительно снижается количество воды, требуемой для затворения раствора, что, в свою очередь, увеличивает прочность затвердевшего цемента на сжатие и на растяжение. По сравнению с обычными системами в данной системе усадка цемента меньше благодаря минимизации содержания цемента
Наличие в системе гранул полимера придает затвердевшему цементу большую эластичность и способствуют уменьшению модуля упругости (модуля Юнга). По сравнению с обычными системами аналогичной плотности цементный камень из цементов, сбалансированных по гранулометрическому составу, долго сохраняет прочность в затрубном пространстве.
Тампонажные растворы пониженной плотности. Простейший вариант для уменьшения плотности - увеличение содержания воды и замена части цемента более лёгкими компонентами (глинопорошок, опока и др.), обеспечивающими седиментационную устойчивость раствора. Такие цементы при своей относительной дешевизне обладают рядом серьезных недостатков, в частности, они имеют низкую прочность и не всегда обеспечивают долговременное тампонирование скважины. Цементный растворы подобного состава имеют минимальный предел плотности, равный 1308 кг/м3.
Для снижения предела плотности до 1140 кг/м3 используются так называемые микросферы и пеноцементные растворы с применением азота.
Если необходимо прибегнуть к цементированию на равновесии давлений, то это достигается путем использования добавок с низкой плотностью или введением газа, обычно азота (пеноцементы). Обычно при проведении маломасштабных работ использование цементов, сбалансированных по гранулометрическому составу с микросферами, обходится дешевле. При значительных объемах работ экономически выгоднее использовать пеноцемент.
Пеноцементные системы обычно состоят из типового портланд-цемента, одного или более поверхностно-активных веществ (ПАВ) и азота (рис. 4.38).
Тампонажные материалы для крепления обсадной колонны

Пеноцементные системы должны быть стабильными в течение всего времени закачки и затвердевания цементного раствора. Пористость цементного камня при этом высокая, но при правильном составлении рецептуры раствора можно достичь низкой проницаемости. Пузырьки пены снижают хрупкость цемента и уменьшают модуль упругости (модуль Юнга). Пеноцементы зарекомендовали себя как системы, хорошо вытесняющие буровой раствор. Пеноцемент содержит газовую фазу, которая снижает скорость падения давления в цементной колонне при затвердевании цемента, что также предотвращает миграцию газа. По сравнению с обычными цементными растворами такой же плотности пеноцементный раствор характеризуется более высокой прочностью на сжатие и на растяжение.
Пеноцемент можно приготовить с тиксотропными свойствами, что предотвратит всплытие газовых пузырьков и оседание частицы цемента. (Данная характеристика очень важна при работе в горизонтальных скважинах).
Успешность применения пенных систем зависит от ее свойств и условий применения. Основными параметрами пенных систем являются кратность и жизнестойкость (стабильность) пены. Кратностью пены называют отношение объема пены Vп к объему содержащейся в ней жидкости Vж. Под жизнестойкостью пены понимают ее способность сохранять неизенный объем во времени. Стабильность определяют отношением hp/hсх - высоты уровня пеноцементного раствора, залитого в измерительный сосуд (hp), к высоте после его схватывания (hчх). Пеноцементный раствор заданной плотности должен иметь 100%-ную стабильность.
Кратность и жизнестойкость пенной системы зависят от свойств, применяемых пенообразователей (ПАВ) и загустителей-полимеров. Наибольшее пенообразование достигается в определенном соотношении концентраций ПАВ и полимера. Причем для каждого вида ПАВа и полимера свое соотношение концентраций. Изменяя концентрации полимера и пенообразователя, можно подобрать состав пенных систем с жизнестойкостью 400 мин. и более, что вполне обеспечит процесс крепления или ремонта скважин (по данным И.Р. Василенко, А.В. Красовского и М.В. Чертенкова).
Основные преимущества пеноцемента:
• вспененный цемент обеспечивает более эффективное вытеснение бурового раствора, помогает предотвратить миграцию газа и повреждение продуктивного пласта;
• низкая плотность вспененного цемента (оптимальное содержание газа в пене от 20 до 35% - Halliburton 2004 г.);
• низкая прочность на сжатие компенсируется пластичностью после схватывания (пластичность камня из пеноцемента на порядок больше пластичности обычного цементного камня, что способствует хорошей устойчивости в процессе операций по гидроразрыву и гидравлических испытаний обсадной колонны, при которых для цементного камня более опасны растягивающие и касательные напряжения-Fleckenstein WW и др 2001 г.).
Однако эти преимущества пеноцемента удастся реализовать только при соблюдении оптимальных параметров системы и гидравлической программы от момента приготовления и закачки до продавки в заколонное пространство и в период ОЗЦ.
Сжимаемые цементные растворы могут сохранять поровое давление в цементе (в течение всего периода схватывания и твердения).
Тампонажные растворы, облегченные микросферами. Использование микросфер позволяет получить сверхлегкие тампонажные растворы плотностью до 900...1200 кг/м3 при прочих удовлетворительных свойствах тампонажного раствора - цементного камня. Отдельные результаты исследований двух классов микросфер (натрийборсиликатных и алюмосиликатных) представлены в табл. 4.2.
Тампонажные материалы для крепления обсадной колонны

Считается, что натрийборсиликатные микросферы отличаются от алюмосиликатных высокой прочностью оболочек микросфер. Однако, как показали испытания пробы натрийборсиликатных микросфер завода «Стекловолокно», они подвержены в большей степени «схлопыванию», чем алюмосиликатные микросферы.
Изменение плотности тампонажного раствора (соответственно давления) в зависимости от доли разрушившихся микросфер приведено в табл. 4.3.
Тампонажные материалы для крепления обсадной колонны

Изменение плотности сопровождается повышением вязкости (консистенции) тампонажного раствора.
Совершенствование технологии производства позволило сделать микросферы сверхлегкими, одновременно обеспечив превосходное сопротивление раздавливанию, составляющее от 140 до 1270 кг/см2, стабильно контролируемого качества. [Стеклянные полые микросферы Scotchlite компании ЗМ].
Тампонажные растворы, облегченные микросферами, имеют следующие отличия в сравнении с цементами обычной плотности: более низкую плотность; низкую фильтрацию; нулевое водоотделение; прочность на изгиб не менее 1,5 МПа; регулируемые сроки схватывания; безусадочность цементного камня.
Несмотря на удорожание тампонажного материала, применение микросфер для облегчения цементного раствора дает возможность цементировать глубокие скважины в одну ступень, что упрощает технологию и при этом улучшает качество цементирования надпродуктивной части разреза скважин.
При одноступенчатом цементировании с применением сверхлегкого раствора плотностью 1300 кг/м3, при оптимальных показателях других физико-механических свойств раствора и камня репрессия на подошву продуктивного пласта глубиной 2500 м по вертикали при подъёме до устья не будет превышать 4,0 МПа - того значения репрессии, которое возникает по традиционной технологии цементирования скважины в две ступени.
Объём сверхлегкого тампонажного раствора в скважинных условиях Vp определяется по формуле:
Тампонажные материалы для крепления обсадной колонны

где ρатм и ρскв - соответственно плотность тампонажного раствора в атмосферных и скважинных условиях, Vатм - объём тампонажного раствора в атмосферных условиях.
Требуемое количество материалов для цементирования обсадных колонн
Тампонажные материалы для цементирования обсадных колонн выбирают в зависимости от температуры среды, плотности бурового раствора, пластового давления, давления гидроразрыва пород, наличия солевых отложений, вида флюида и необходимости обеспечения заданной высоты подъема тампонажного раствора.
Плотность тампонажного раствора не должна превышать плотности бурового раствора более чем на 200 кг/м3.
После выбора типа цемента и необходимой плотности тампонажного раствора ρт.р проводят лабораторные испытания и подбор рецептуры раствора для конкретных условий цементирования. По значениям ρт.р и подобранного водотвердого отношения (В/Т) предварительно определяют среднюю плотность твердой фазы ρт тампонажного раствора:
Тампонажные материалы для крепления обсадной колонны

где ρт - плотность жидкости затворения, определяемая в процессе подбора рецептуры, г/см3.
Масса тампонажного материала (т), необходимая для приготовления 1 м3 раствора,
Тампонажные материалы для крепления обсадной колонны

Необходимый объем тампонажного раствора для цементирования обсадной колонны определяется по формуле
Тампонажные материалы для крепления обсадной колонны

где F - средняя площадь поперечного сечения ствола в интервале Цементирования, определяемая по данным профилеметрии, м2; d -средний наружный диаметр обсадной колонны в интервале цементирования, м; H - высота подъема тампонажного раствора, м; d0 -внутренний диаметр обсадных труб в зоне цементного стакана, м; h - высота цементного стакана, м.
Общая масса сухого тампонажного материала для приготовления требуемого объема тампонажного раствора
Тампонажные материалы для крепления обсадной колонны

где Kц = 1,03+1,05 - коэффициент, учитывающий потери тампонажного материала при погрузочно-разгрузочных работах.
Расход сухого тампонажного материала на й м3 воды затворения (т)
Тампонажные материалы для крепления обсадной колонны

Полный объем воды для затворения общей массы сухого тампонажного материала (м3)
Тампонажные материалы для крепления обсадной колонны

где Кв = 1,08/1,10 - коэффициент, учитывающий потери воды.
Количество химических реагентов (в л - для жидких и в кг -для сухих веществ), необходимое для обработки 1 м3 воды затворения, определяется по формуле
Тампонажные материалы для крепления обсадной колонны

где а - содержание химических реагентов по отношению к массе сухого тампонажного материала (определяется лабораторными испытаниями), %.
Общее количество химических реагентов для обработки всего объема воды затворения
Тампонажные материалы для крепления обсадной колонны

Необходимый объем продавочной жидкости (м3) определяется по формуле
Тампонажные материалы для крепления обсадной колонны

где Δ = 1,02/1,04 - коэффициент, учитывающий сжимаемость продавочной жидкости; n - число секций обсадной колонны, различающихся по внутреннему диаметру; di, li - соответственно внутренние диаметры и длины каждой секции труб, м.