Скважины Бованенковского. Исследование возможности использования тампонажной смеси ГранЦЕМ-7 для крепления кондукторов, направлений и промежуточных колонн скважин

В развитии нефтяной и газовой промышленности одной из основных задач является обеспечение высокого качества строительства скважин, которое зависит от многих природных и технико-технологических факторов.

Одним из значимых факторов обеспечения качественного строительства скважин является создание надежной крепи, которая, являясь сооружением капитального строительства с продолжительным сроком эксплуатации, отвечала бы требованиям применительно к конкретным условиям и исключала бы возникновение возможных осложнений строительства и эксплуатации скважин. Повышение качества крепления скважин является одной из значимых задач при цементировании обсадных колонн Бованенковского месторождения.

На основании производственного задания были изучены образцы используемых тампонажных растворов, на основе цементных смесей ЦТРО и ЦТРС, для крепления кондукторов, направлений и промежуточных колонн, а также возможность их замещения единой смесью ГранЦЕМ-7 [1] для снижения совокупных издержек при цементировании обсадных колонн на всех уровнях строительства скважин Бованенковского нефтегазоконденсатного месторождения в соответствии с заявленными условиями.

Испытания тампонажных растворов проводились в соответствии с техническими условиями, рекомендациями [2] и РД 39-00147001-767-2000[3].

В качестве жидкости затворения были использованы растворы хлористого кальция и хлористого натрия. Основные технологические свойства раствора состава 1,0 ГранЦЕМ-7+ 0,43 pCaCl2 (1015 кг/м³) и 1,0 ГранЦЕМ-7+ 0,43 pNaCl2 (1030 кг/м³) приведены в таблице 1.

ТАБЛИЦА 1

Тампонажный раствор состава 1,0 ГранЦЕМ-7+ 0,43 pCaCl₂ (1015 кг/м³) имеет оптимальные показатели растекаемости и времени загустевания, а также значения прочности на сжатие (по прессу), превосходящие аналогичные показатели тампонажных растворов нормальной плотности 1820 кг/м³). Для проведения испытаний были приняты условия, максимально приближенные к термобарическим условиям Бованенковского месторождения: температура 20˚C, давление 7,0 Мпа.

На рисунке 1 видно, что скорость набора прочности по ультразвуковому анализатору состава ГранЦЕМ-7 постоянна, достаточно высока в течение всей продолжительности теста и по истечении 13 часов превосходит используемые смеси на основе ЦТРО и ЦТРС.

РИС. 1. Изменение прочности камня тампонажных растворов на основе ГранЦЕМ-7, ЦТРО и ЦТРС во времени (при температуре 20C и давлении 7,0 МПа)

Кривая набора СНС по данным ультразвукового анализатора приведена на рисунке 2. Критический период гидратации тампонажного раствора (время набора СНС от 47,9 до 234,9Па) составил 67 минут, что является приемлемой величиной для пластов ММП, содержащих газогидратные отложения, превосходящей аналогичные показатели тампонажных растворов нормальной плотности и облегченных тампонажных растворов на базе ЦТРО и ЦТРС.

РИС. 2. Изменение СНС тампонажных растворов на основе ГранЦЕМ-7, ЦТРО и ЦТРС во времени (при температуре 20C и давлении 7,0 МПа)

В российских климатических условиях очень важным является успешное проведение цементирования колоны в районах с вечномерзлыми грунтами. С условиями вечной мерзлоты связан целый ряд проблем, включающий в себя расширение ствола скважины из-за тепла, выделяющегося цементным раствором при гидратации, его замедленное твердение и набор прочности, воздействие на затвердевший цементный камень знакопеременных нагрузок. С целью изучения возможности применения тампонажного раствора на основе цементной смеси ГранЦЕМ в условиях Бованенковского месторождения, где температура в стволе скважины может варьировать от -5˚С до +35˚С, а толщина ММП может достигать 400 метров, было проведено исследование влияния условий твердения на значения прочности на сжатие тампонажного камня состава 1,0 ГранЦЕМ-7+0,43 pCaCL2 (1015 кг/м³) в широком диапазоне температур от минус 5˚C до плюс 20˚C (рисунок 4) [4].

РИС. 3. Прочность на сжатие тампонажного камня состава 1,0 ГранЦЕМ-7 +0,43 p CaCl2 (1015 кг/м³) при различных температурах через 48 ч твердения

Согласно полученным данным, можно заключить, что полученный раствор является достаточно устойчивыми к циклическому воздействию знакопеременных температур, что проявляется в наборе прочности тампонажного камня на протяжении трех циклов, а гидравлической активности компонентов ГранЦЕМ-7 достаточно для формирования прочного камня как в условиях забойной, так и в условиях устьевой пачки при креплении кондукторов, направлений и технических колонн в интервалах размещения ММП.

Для сокращения времени загустевания и сроков схватывания, т.е. увеличения скорости гидратации вяжущего в начальный период необходимо включение в формируемый раствор ускорителя, однако стоит отметить, что на более поздних стадиях гидратации и формирования камня показатели систем нивелируются. В случае использования ГранЦЕМ-7 для крепления обсадных колонн в условиях более высоких температур (до 35C) и давлений (от 10Мпа до 20 Мпа) целесообразно применение более «мягкого» ускорителя – хлористого натрия в составе жидкости затворения.

Основные технологические свойства состава 1,0 ГранЦЕМ-7+ 0,43 p CaCl2 (1015 кг/м³) приведены в таблице 1.

Раствор характеризуется высокой растекаемостью, приемлемым значением времени загустевания при температуре 20C, высокими значениями на сжатие и изгиб превосходящим аналогичные показатели тампонажных растворов нормальной плотности 1820 кг/м³. Как и в случае формирования составов, содержащих хлористый кальций, система характеризуется достаточно высокой скоростью набора прочности за короткий период, кривая не имеет тенденций к выходу на плато.

Термобарические условия Бованенковского месторождения являются оптимальными для образования природных газовых гидратов, геотермический градиент в мерзлой толще составляет 2,6°С/100 м, в подмерзлотном разрезе – 3,5°С/100 м. Газопроявления могут возникать на всем протяжении строительства скважины. С целью предупреждения подобных осложнений при строительстве скважины целесообразно применение газоблокаторов.

Совместимость цементной тампонажной смеси ГранЦЕМ-7 с добавками для контроля водоотдачи и газоблокаторами проверялась на примере реагентов Натросол 250 EXR, ПАЦ низкой степени полимеризации и сополимерами поливинилацетата (ПВА).

Ввиду низкого водоцементного соотношения, необходимого для выхода на плотность 1700 кг/м³, количество воды, идущей на гидратацию и подвижность тампонажного раствора, минимально. Соответственно, ввод добавок для контроля водоотдачи, повышающих вязкость жидкости затворения (ПАЦ, Натросол 250 EXR), неизбежно приводит к снижению растекаемости и ухудшению технологических характеристик системы по прокачиваемости (таблица 2).

ТАБЛИЦА 2

После введения в систему состава «1,0 ГранЦЕМ +0,43 в» минимального количества ПАЦ – 0,3%, растекаемость сокращается от 280 до 210 мм. При этом показатель фильтрации уменьшается не столь существенно – от 300 (без ПАЦ) до 180 мл (0,3% ПАЦ). В случае добавления Натросол 250 EXR, тампонажный раствор состава 1,0 ГранЦЕМ-7+ 0.3% Натросол 250 EXR+ +0.45 p CaCl2 (1015 кг/м³) представляет собой вязкую непрокачиваемую пасту.

Газоблокатор другого типа, снижающий проницаемость фильтрационной корки и не влияющий на вязкость жидкости затворения (ПВА), более эффективно работает в системе с пониженным водоцементным соотношением.

Так, тампонажный раствор состава 1,0 ГранЦЕМ-7+0,25% ПВА+0,43 p CaCl2 (1015 кг/м³) характеризуется достаточно низкой начальной консистенцией по сравнению с составами с Натросол 250 EXR (1,0 ГранЦЕМ-7+ 0.3% Натросол 250 EXR+ +0.45 p CaCl2 (1015 кг/м³) и без добавок (1,0 ГранЦЕМ-7+ 0,43 p CaCl2 (1015 кг/м³) (рисунок 4).

РИС. 4. Изменение консистенции во времени тампонажных растворов различных составов на основе сухой смеси ГранЦЕМ-7 при температуре 20C и давлении 7,0 МПа (время выхода на режим – 30 мин)

Скорость набора прочности тампонажного камня состава 1,0 ГранЦЕМ-7+0,25% ПВА+0,43 p CaCl2 (1015 кг/м³) значительно превосходит аналогичные характеристики составов без газоблокатора и с добавкой Натросол 250 EXR (рисунок 5), что проявляется в увеличении угла наклона кривой прочности на сжатие с течением времени.

РИС. 5. Изменение прочности камня во времени тампонажных растворов различных составов на основе сухой смеси ГранЦЕМ-7 при температуре 20C и давлении 7,0 МПа (время выхода на режим – 30 мин)

Аналогичная тенденция проявляется при наблюдении роста СНС – критический период гидратации тампонажного раствора с добавкой ПВА значительно короче по сравнению с составом, содержащим Натросол 250 EXR (рисунок 6).

РИС. 6. Изменение СНС во времени тампонажных растворов различных составов на основе сухой смеси ГранЦЕМ-7 при температуре 20C и давлении 7,0 МПа (время выхода на режим – 30 мин)

Таким образом, можно сделать вывод, что сухая тампонажная смесь ГранЦЕМ-7 позволяет приготавливать тампонажные растворы с улучшенными технологическими характеристиками (высокие значения прочности на сжатие и изгиб, растекаемость, короткий критический период гидратации, низкая теплопроводность) по сравнению с используемыми в настоящее время составами на основе ЦТРО и ЦТРС для крепления кондукторов, направлений и промежуточных колонн. Формируемый ГранЦЕМ-7 тампонажный камень характеризуется приемлемыми значениями прочности на сжатие в широком температурном диапазоне – от минус 5C до 30C. Ввиду низкого водоцементного соотношения, использование водорастворимых добавок для контроля водоотдачи, работающих по принципу увеличения вязкости жидкости затворения, несколько затруднено и приводит к повышению реологических характеристик получаемого раствора.

Для увеличения устойчивости к газопроявлениям тампонажного камня на основе ГранЦЕМ-7 рекомендуется использовать добавки другого типа, снижающие проницаемость фильтрационной корки и не увеличивающие вязкость жидкости затворения (типа ПВА), а также, благодаря подобранным технологическим характеристикам, позволит оптимизировать технологию цементирования обсадных колонн в интервалах ММП за счет применения тампонажного раствора с одной пониженной плотностью по всему интервалу.

Получаемый раствор рекомендован к использованию для крепления кондукторов, направлений и промежуточных колонн в качестве замены используемых тампонажных растворов на основе цементных смесей ЦТРО и ЦТРС на Бованенковском и других месторождениях.

Литература:

1. Цементная тампонажная смесь «ГранЦЕМ-7». Технические условия [Текст]: ТУ 5734-004-74364232-2005: утв. ЗАО «Гранула»: введ. в действие с 2010. – г. Екатеринбург: ЗАО «Гранула», 2010. – 9 листов.

2. Прибор ПР-50 для определения расширения тампонажного раствора и камня. Технические условия [Текст]: ТУ 4318-066-00158758-2005: утв. ООО «ТюменНИИгапрогаз», 2005. – 9 листов.

3. Инструкция по креплению нефтяных и газовых скважин [Текст]: РД 39-00147001-767-2000: утв. ОАО «Газпром» 25.07.2000: введ. в действие с 01.08.2000. – Москва-Краснодар: ООО «Просвещение ЮГ», 2000. – 277 с.

4. Гриценко А.И Методика испытания тампонажных материалов при пониженных температурах. – М.:ВНИИИГАЗ, 1980.

Факты:

• Бованенковское нефтегазоконденсатное месторождение — гигантское газовое месторождение на полуострове Ямал, в 40 км от побережья Карского моря, в нижнем течении рек Сё-Яха, Мордыяха и Надуй-Яха
• 140 млрд м³ газа в год проектная мощность Бованенковского месторождения
• 4,9 трлн м³ природного газа составляют запасы месторождения по категориям А,В,С1+С2
• 2,5 грамма на кубический метр составляет среднее содержание конденсата в пластовом газе
• В 1971 году открыто Бованенковское месторождение
• В 2014 году был введён в строй газовый промысел №1
• До +35˚С достигает температура в стволе скважины
• Термобарические условия Бованенковского месторождения являются оптимальными для образования природных газовых гидратов, геотермический градиент в мерзлой толще составляет 2,6°С/100 м, в подмерзлотном разрезе – 3,5°С/100 м
• 90 млрд м3 газа в год суммарная проектная производительность двух добычных промыслов, работающих на Бованенковском месторождении