Крепления глубоких скважин

Высокие термобарические условия обуславливают ряд требований к ее крепи (цементному камню): повышенная термоустойчивость, высокая прочность, отсутствие усадочных деформаций, низкая проницаемость при одновременно низкой стоимости тампонажных материалов.

Одним из решений проблемы создания термоустойчивого тампонажного материала и обеспечения цементирования обсадных колонн большой глубины в одну ступень является использование микросфер [1]. Использование алюмосиликатных, борсиликатных, микросфер позволяет получить облегченный тампонажный раствор, кроме того, наличие силикатов обеспечивает их участие в реакциях гидратации минералов портландцементного клинкера и снижения основности продуктов твердения, а следовательно, и повышения термоустойчивости формирующегося цементного камня. Однако в условиях высоких давлений, на больших глубинах, происходит схлопывание (разрушение) микросфер, что не позволяет значительно снижать плотность тампонажного раствора.

Так, при давлении в скважине от 10 до 40 МПа происходит разрушение и осаждение от 30 до 60% микросфер. При этом часть микросфер схлопывается с разрушением частиц, другая часть образует микротрещины на поверхности, через которые происходит заполнение микросфер жидкостью. С ростом давления сначала разрушаются крупные микросферы, затем среднего размера и так далее. В результате происходит уменьшение объема тампонажного раствора. Как следствие, возникают аварийные ситуации: недоподъем цементного раствора до устья скважины, усадка цементного камня, образование трещин и пустот, что приводит к опасному явлению – заколонным перетокам[2].

Также для крепления глубоких и сверхглубоких скважин широко используется кварцевый песок. Материал, хотя и характеризуется высокой реакционной способностью с продуктами гидратации портландцемента, однако ему присущи такие недостатки, как повышенная водоотдача, водоотделение и усадочные деформации тампонажного раствора. Высокие фильтрационные свойства раствора способствуют формированию проницаемого цементного камня, а усадка – возникновению негерметичности крепи в системе горная порода – цементный камень – обсадная колонна, что и является причиной заколонных перетоков и нефтегазоводо-проявлений.

Для придания высоких эксплуатационных характеристик цементному камню в условиях высоких температур и давлений в скважине предлагается использовать доменный шлак.

Например, замещение в тампонажном растворе части портландцемента доменным шлаком от 40 до 60% обеспечивает водонепроницаемость, отсутствие деформации цементного камня, а также способствует повышению сульфатостойкости и долговечности в условиях действия агрессивных сред, в том числе при высоких температурах и давлениях.

Характеристики доменного шлака, позволяющие рекомендовать его для использования в составе тампонажных композиций, используемых для креплений высокотемпературных скважин, следующие:

• наличие стекловидной фазы, что приводит к уменьшению водопотребления тампонажной смеси, а в условиях повышенных температур увеличивает прочностные характеристики, формирующегося цементного камня;

• высокая дисперсность позволяет кольматировать поры цементного камня, способствующим улучшению структуры снижению фильтрационных свойств;

• замещение части портландцемента молотым шлаком способствует термостойкости цементного камня.

• низкая водопотребность шлаков обуславливает высокую седиментационную устойчивость тампонажных растворов и их низкую водоотдачу.

Изложенное подтверждается результатами экспериментальных исследований, в частности при исследований свойств смесей ПЦТ-I-100 и доменного шлака (ООО «МечелМатериалы») в различных соотношениях: 100/0 (в качестве калибровочного раствора), 60/40, 50/50, 40/60, с водоцементным отношением 0,55.

На рисунке 1 представлены реологические параметры растворов, в зависимости от составов твердых смесей.

Рисунок 1. Реологические свойства тампонажных растворов

Бездобавочный тампонажный раствор, имеющий в своем составе только портландцемент, показал по результатам эксперимента, более высокие реологические характеристики, по сравнению с раствором с добавлением доменного шлака.

Низкие значения реологических параметров позволяют создавать турбулентный режим его течения за колонной, приводящий к более полному вытеснению бурового раствора и созданию монолитного цементного кольца и положительно влиять на работу насосов (рисунок 2).

Рисунок 2.Предельное статическое напряжение сдвига

Механические свойства образцов затвердевшего камня при температуре 100 ^оС в возрасте 30 суток представлены в таблице 2.

Таблица 2. Прочность цементного камня на сжатие и на изгиб

Для наглядности ниже представлены гистограммы, которые показывают, что добавление доменного шлака положительно сказывается на прочности цементного камня.

Рисунок 3. Прочность цементного камня на изгиб

Рисунок 4. Прочность цементного камня на сжатие

По данным рисунков 3, 4 можно сделать вывод, что с добавлением доменного шлака в тампонажный раствор, при повышенной температуре цементный камень становится существенно прочнее, так же замещение цемента доменным шлаком обеспечивает водонепроницаемость, низкую деформацию цементного камня, а также способствует сульфатостоикости, повышению долговечности в условиях действия агрессивных сред.[5]

Ниже на рисунке 5 представлена данные изменения прочности на сжатие цементного камня, сформированного при различных соотношениях шлак/ПЦТ и температуре 100 ^оС в возрасте 24 часа, 2, 3, 10, 30 суток нахождения в водяной бане.

Рисунок 5. Изменение прочности на сжатие цементного камня, сформированного при различных соотношениях шлак/ПЦТ и температуре 100 ^оС в возрасте 24 часа, 2,3, 10, 30 суток нахождения в водяной бане

На рисунке 6 видно, что цементный камень, сформированный из чистого тампонажного портландцемента, образует пористую, неоднородную структуру, что и обуславливает низкую прочность камня. Образцы с добавлением доменного шлака имеют значительно меньше пор, что подтверждается их повышенной прочностью.

В таблице 3 представлены сведения о результатах исследований рассмотренных типов тампонажных композиций, согласно ГОСТ, а в таблице 4 приведена ориентировочная их стоимость.

Таблица 3. Сравнительный анализ тампонажного раствора с различными добавками.

Можно отметить, что доменный шлак придает положительные характеристики цементному камню, с точки зрения экономии стоимость композиций портландцемента с доменным шлаком существенно ниже, чем с кварцевым песком и алюмосиликатными микросферами.

Таблица 4. Сопоставление стоимости сухих смесей для приготовления тампонажного раствора с различными добавками.

Из представленных результатов можно сделать выводы, что уже после трех суток нахождения в водной среде, при температуре 100 ^оС, цементный камень, сформированный из портландцемента и шлака в соотношении от 40:60 до 60:40, приобретает стабильную прочность, которая не изменяется и через 30 суток. Камень, сформированный из чистого портландцемента имеет меньшую прочность.

Рисунок 6 - Скол цементного камня с добавлением доменного шлака (слева направо составы ПЦТ/шлак 60/40, 50/50, 100/0 ) после 30 суток нахождения в водяной бане при температуре 100 ^оС.

Таким образом, результаты лабораторных исследований термостойкого тампонажного материала с добавкой доменного шлака позволяет считать:

• возможность использования данного типа тампонажных составов с пропорциями ПЦТ-I-100 – доменный шлак 60/40, 50/50, 40/60 для цементирования глубоких скважин с высокой температурой.

• тампонажный раствор стабилен, седиментационно устойчив, обеспечивает формирование цементного камня высокой прочности и низкой проницаемости в условиях высоких температур (80-120°С).

Введение в тампонажные растворы гранулированного доменного шлака позволит в условиях высоких температур обеспечить герметичность и долговечность сооружаемого объекта – крепи скважины.

Список литературы:

1. Овчинников В.П., Аксенова Н.А., Овчинников П.В. Физико-химические процессы твердения, работа в скважине и коррозия цементного камня.- учебн. пособие для вузов.- Тюмень Изд-во «Нефтегазовый университет». 2011. -331 с.

2. Аксенова Н.А., Рожкова О.В., Федоровская В.А. К вопросу крепления высокотемпературных скважин. //Геология и нефтегазоносность Западно-Сибирского мегабассейна (опты, инновации): материалы девятой научно-технической конференции. – Т.1 :ТюмГНГУ, 2014 – 44-49 стр.

3. Кравцов В.М., Кузнецов Ю.С., Мавлютов М.Р., Агзамов Ф.А. Крепление высокотемпературных скважин в коррозионно-активных средах. М.: «Недра», 1987. 190 с.

4. Измухамбетов Б.С., Агзамов Ф.А., Умралиев Б.Т. Применение дезинтеграторной технологии при получении порошкообразных материалов для строительства скважин. СПб.:ООО «Недра», 2007. 464 с

5. Овчинников В.П., Лузан М.В., Пархомчук О.В.,Рожкова О.В., Федоровская В.А., Аксенова Н.А. Результаты исследования влияния шлака на термостойкость цементного камня//Бурение и нефть. – 10. 2015 – 14-16 стр.