Крепление скважин на площадях Астраханского ГКМ осложнено рядом неблагоприятных факторов, к которым относятся сложно обработанные буровые растворы с низкой (4-8см3/30мин) водоотдачей и большой плотностью, высокие температуры, аномально высокие давления, наличие зон поглощений буферного и тампонажного растворов, мощные толщи пластов различных по составу солей, пластичных глин и других пород с солевой и сероводородной агрессией.
Указанные факторы, как правило, воздействуют одновременно, поэтому проблема качественного крепления скважин в данном регионе является весьма сложной и не до конца решенной [1,2].
По данным [2], самое низкое качество крепления наблюдается в солях, доломитах, аргиллитах, несколько лучше в песчаниках и известняках, самое хорошее в глинах и неудовлетворительное в межколонных пространствах.
Согласно проекту, для сложной обработки буровых растворов, при бурении под все обсадные колонны, применяются разные химические реагенты (КМЦ-600, лигносульфонат, сода каустическая и кальцинированная, бикарбонат натрия, KCl, KOH, полицелл СК-2М, полигликоль, КССБ, пентосил, крахмал, ЖС-7, тулоза и др.) и смазывающие добавки (графит серебристый смазочный, СМЭГ, ФК-2000 ПЛЮС). В качестве утяжелителей используются барит и SiO2, а в качестве кольматанта – битум. Перед спуском обсадных колонн предусматривается обработка буровых растворов нефтью.
На практике столь сложно обработанные буровые растворы, при структурном режиме движения в заколонном и межколонном пространствах, всегда образуют довольно толстые и трудно удаляемые фильтрационные корки на стенках скважины и пленки на обсадных трубах, понижающие качество крепления.
При креплении всех обсадных колонн применяются следующие проектные материалы и технология.
При креплении кондуктора 426 мм, для подготовки заколонного и межколонного пространств к замещению портландцементными растворами, используется буферная жидкость – вода минерализованная с плотностью 1050 кг/м3 в объеме 10 м3. Указанная вода получается путем введения NaCl в воду из водяной скважины с плотностью 1030 кг/м3.
Для цементирования применяются два тампонажных материала, а именно: в интервале 350-250 м ПЦТ I-G-CC-1, а в интервале 250-0 м ПЦТ III-об.5-50. Плотность портландцементного раствора, приготавливаемого с использованием ПЦТ I-G-CC-1 при В/С=0,44 м3/т, составляет 1920 кг/м3, а с применением ПЦТ III-об.5-50 при В/С=0,85 м3/т – 1500кг/м3.
При креплении I промежуточной обсадной колонны 324мм, для подготовки заколонного и межколонного пространств к замещению портландцементными растворами, применяется аналогичная буферная жидкость – вода минерализованная с плотностью 1050 кг/м3 в объеме 13 м3. Для цементирования используются два тампонажных материала, а именно: в интервале 2250-1750 м ПЦТ I-G-CC-1, а в интервале 1750-0 м ПЦТ III-об.5-100 либо тампонажная смесь (ПЦТ I-G-CC-1 + цеолит) в соотношении 4:1.
Плотность портландцементного раствора, приготавливаемого с использованием ПЦТ I-G-CC-1 при В/С=0,44 м3/т, составляет 1920 кг/м3, а с применением ПЦТ III-об.5-100 либо тампонажной смеси (ПЦТ I-G-CC-1 + цеолит) при В/С=0,85 м3/т – 1550 кг/м3.
При креплении II промежуточной колонны 244,5/250,8 мм, имеющей муфту ступенчатого цементирования на глубине 3250 м, для подготовки заколонного и межколонного пространств к замещению портландцементными растворами, используется буферная жидкость – вода минерализованная с плотностью 1100 кг/м3, получаемая путем введения NaCl в воду из водяной скважины с плотностью 1030 кг/м3. Проектные объемы буферной жидкости для первой и второй ступеней составляют соответственно 5 и 6 м3.
Для цементирования первой ступени применяется тампонажная смесь (ПЦТ I-G-CC-1 + барит) в соотношении 73:27, а второй ступени - ПЦТ I-G-CC-1. Плотность тампонажного раствора, приготавливаемого с использованием тампонажной смеси (ПЦТ I-G-CC-1 + барит) при В/С=0,40 м3/т, составляет 2050 кг/м3, а с применением ПЦТ I-G-CC-1 при В/С=0,44м3/т – 1940 кг/м3.
При креплении эксплуатационной обсадной колонны 168,3 мм, имеющей муфту ступенчатого цементирования на глубине 3100 м, для подготовки заколонного и межколонного пространств к замещению портландцементными растворами, применяется буферная жидкость – вода минерализованная с плотностью 1120 кг/м3, получаемая путем введения NaCl в воду из водяной скважины с плотностью 1030 кг/м3. Проектные объемы буферной жидкости для первой и второй ступеней составляют соответственно 4 и 5 м3.
Для цементирования первой ступени применяется тампонажная смесь (ПЦТ I-G-CC-1 + SiO2) в соотношении 80:20, а второй ступени – ПЦТ I-G-CC-1. Плотность тампонажного раствора, приготавливаемого с использованием тампонажной смеси (ПЦТ I-G-CC-1 + SiO2) при В/С=0,43 м3/т, составляет 1940 кг/м3, а с применением ПЦТ I-G-CC-1 при В/С=0,44 м3/т – ту же самую величину 1940 кг/м3.
Представленные в проекте буферные жидкости – минерализованные воды с разными плотностями, значительно разбавляют в зонах контактов как буровые, так и тампонажные растворы при нагнетании в цементируемые обсадные колонны и при продавке в заколонные и межколонные пространства. Плотности буровых и тампонажных растворов на протяженных интервалах заколонных и межколонных пространств понижаются, растворы становятся седиментационно неустойчивыми. Седиментационная неустойчивость значительно разбавленных тампонажных растворов с повышенной плотностью, предназначенных для цементирования первых ступеней обсадных колонн, может приводить к выпадению утяжелителей (барита, песка и др.) в осадок. Образование осадка на забое и в заколонном пространстве, наряду с толстыми фильтрационными корками на стенках скважин и пленками на обсадных трубах, приводит к появлению дополнительных гидравлических сопротивлений.
Повышенные гидравлические сопротивления, в свою очередь, могут вызвать гидроразрыв пород и, как следствие, поглощение тампонажных растворов. Недоподъем тампонажных растворов выше муфт ступенчатого цементирования исключает образование тампонажных камней в интервалах заколонного пространства, что приводит к смятию обсадных труб против соленосных и других отложений, подверженных пластическим деформациям и текучести из-за высокой напряженности пород в массиве, а также к разгрузке высоконапорных замкнутых скоплений высокоминерализованных вод (рапы) через ствол скважин.
Физико-механические параметры тампонажных камней ухудшаются – понижаются их прочность и коррозионная устойчивость, повышаются пористость, проницаемость и усадка, которая может достигать 5-7% и более.
Образование усадочных тампонажных камней пониженной прочности, особенно против проницаемых пластов с АВПД, исключает надежное сцепление с породами и обсадными трубами, даже при репрессии тампонажных растворов в период до их схватывания, что приводит к появлению заколонных перетоков, рапопроявлений и межколонных давлений как после окончания процесса цементирования, так и в более поздние сроки.
Отсутствие надежного сцепления усадочных тампонажных камней с породами и обсадными трубами в значительной мере обусловлено недостаточно эффективным удалением со стенок скважин рыхлой части фильтрационных корок, а с поверхностей обсадных труб пленок, содержащих в своем составе водорастворимые полимеры, смазывающие добавки, битум и нефть.
В этой связи, только применение больших масс эрозионных буферных смесей, образующих при гидратации эрозионные буферные растворы, позволит качественно подготовить заколонные и межколонные пространства скважин к замещению тампонажными растворами.
Для качественной подготовки заколонных и межколонных пространств скважин к замещению тампонажными растворами рекомендуется применять запатентованную [3,4] многокомпонентную порошкообразную эрозионную буферную смесь полностью заводского изготовления, производимую на заводе сухих смесей согласно утвержденного ТУ 5739-002-14142287-2011 и имеющую шифр ПЭБС III Обл (1570-1690)-20,50,75 и др.
Основным компонентом многокомпонентной ПЭБС является термически активированный алюмосиликат-глина с разным содержанием Al2O3.
Термоактивированная глина дополнительно активируется механохимически с использованием молотковой дробилки и шаровой мельницы. При этом подбирается такой режим механохимической активации, при котором получается достаточно низкая удельная поверхность порошка (грубый помол).
При ситовом анализе 40-55% порошка – недиспергирующего «песка», должно оставаться на сите №008, обеспечивая при этом эрозионную способность буферного раствора.
Для регулирования технологических свойств эрозионного буферного раствора в термически и механохимически активированную глину вводятся, при необходимости, минеральные сырьевые компоненты и химические реагенты.
Важными порошкообразными химическими реагентами, эффективно регулирующими водоотдачу, подвижность и пластичность пресного и минерализованного эрозионных буферных растворов, являются КССБ-4 и гидрофобизирующая пластифицирующе-воздухововлекающая добавка.
Указанная гидрофобизирующая пластифицирующе-воздухововлекающая добавка предназначена также для вовлечения в эрозионный буферный раствор при его перемешивании значительного количества воздуха, который, равномерно распределяясь, создает систему замкнутых мельчайших воздушных пузырьков, заключенных между тонкими слоями жидкости. Мельчайшие воздушные пузырьки, содержание которых в 1см3 раствора превышает четверть миллиона [5,6], увеличивают объем аэрированного эрозионного буферного раствора и повышают тем самым его пластичность.
Кроме того мельчайшие пузырьки воздуха, равномерно распределенные в объеме аэрированного эрозионного буферного раствора, но являющиеся при этом самостоятельной фазой, не схлопываются при действии давлений, а частично деформируются и отталкиваются друг от друга, что препятствует их слиянию (агрегации) и образованию воздушных пузырей.
В этой связи приготавливаемый гидрофобизированный аэрированный эрозионный буферный раствор, занимающий промежуточное положение между пенами и растворами с неизменной плотностью при перемешивании, обладает пониженной водоотдачей, упругостью, повышенной седиментационной устойчивостью, удерживающей и выносной способностью, регулируемой в широком диапазоне плотностью, за счет изменения интенсивности и продолжительности гидродинамической активации (перемешивания), способностью повышать скорость движения в заколонном и межколонном пространствах при снижении давления сверху составного столба растворов, осуществлять приствольную кольматацию проницаемых пластов, предотвращать значительное понижение плотности буровых и тампонажных растворов в зонах контакта, эффективно удалять рыхлые фильтрационные корки со стенок скважин и пленки с поверхностей обсадных колонн, шлам из коверн и защемленные буровые растворы, прост и удобен при практическом использовании.
При использовании в качестве жидкости затворения высокоминерализованной воды с плотностью 1200кг/м3 аэрация эрозионного буферного раствора устраняется даже при весьма высокой интенсивности гидродинамической активации (перемешивания) в емкости осреднительной, а поэтому плотность его повышается.
Эрозионный буферный раствор, имеющий плотность 1690кг/м3, обладает пониженной водоотдачей, повышенной седиментационной устойчивостью, удерживающей и выносной способностью, способностью предотвращать понижение плотности буровых и тампонажных растворов в зонах контакта, эффективно удалять рыхлые фильтрационные корки со стенок скважин и пленки с поверхностей обсадных колонн, шлам из каверн и защемленные буровые растворы, прост и удобен при практическом применении.
Сравнительная характеристика объемов, плотностей и технологических свойств проектных и предлагаемых буферных агентов для подготовки заколонных и межколонных пространств всех обсадных колонн к замещению тампонажными растворами приведена в табл.1.
Цементирование всех обсадных колонн рекомендуется осуществлять с применением разработанных и запатентованных [7-11] многокомпонентных порошкообразных расширяющихся тампонажных смесей (ПРТС) полностью заводского изготовления, производимых на заводе сухих смесей согласно утвержденного ТУ 5739-002-14142287-2011.
Важными компонентами многокомпонентных ПРТС, наряду с бездобавочным тампонажным портландцементом, порошкообразными пластификаторами и регуляторами сроков загустевания-схватывания, являются термически и механохимически активированная глина и гидрофобизирующая пластифицирующе-воздухововлекающая добавка, применяемая для приготовления облегченных аэрированных тампонажных растворов.
Введение в компонентный состав ПРТС гидрофобизирующей пластифицирующе-воздухововлекающей добавки приводит к некоторому замедлению процесса гидратации базового компонента – бездобавочного тампонажного портландцемента, вовлечению в тампонажный раствор, при его перемешивании, большого количества воздуха, который, равномерно распределяясь в растворе, создает систему замкнутых мельчайших воздушных пузырьков, увеличивающих объем раствора и повышающих его пластичность [5,6].
В качестве жидкости затворения многокомпонентных ПРТС предлагается использовать минерализованные воды с разной плотностью, получаемые путем введения NaCl в воду из водяной скважины с плотностью 1030 кг/м3.
При креплении кондуктора 426 мм и I промежуточной колонны 324 мм используется вода минерализованная с плотностью 1050 кг/м3, а при креплении II промежуточной 244,5/250,8 мм и эксплуатационной 168,3 мм обсадных колонн рекомендуется применять высокоминерализованную воду с плотностью 1200 кг/м3.
Аэрированный тампонажный раствор, совместимый с аэрированным эрозионным буферным раствором, обладает пониженной водоотдачей, упругостью, удерживающей и выносной способностью, высокой седиментационной и суффозионной устойчивостью, регулируемой плотностью, за счет изменения интенсивности и продолжительности гидродинамической активации (перемешивания). Появляется способность повышать скорость движения в заколонном и межколонном пространствах при снижении давления сверху составного столба растворов и осуществлять либо усиливать приствольную кольматацию проницаемых пород [7-11].
При твердении аэрированных тампонажных растворов в атмосферных условиях возникает расширение тампонажных камней в ранние сроки твердения (до 1сут) за счет превышения на 30-120% объема новообразований над объемом исходных оксидов металлов и минералов [12].
Большое количество замкнутых мельчайших воздушных пузырьков приводит к образованию эластичного, газоводонепроницаемого, трещиностойкого тампонажного камня с большим расширением и повышенной деформативной способностью.
При твердении аэрированных тампонажных растворов в заколонных и межколонных пространствах расширение тампонажных камней понижается, но остается при этом достаточно большим, камни уплотняются, пористость их понижается, а прочность и коррозионная устойчивость, эффективно предотвращающие коррозию обсадных труб в разных агрессивных средах, существенно возрастают.
При твердении седиментационно и суффозионно-устойчивых тампонажных растворов с неизменной плотностью в заколонных и межколонных пространствах образуются прочные расширяющиеся газоводонепроницаемые камни с большой величиной расширения, повышенной пластичностью и высокой коррозионной устойчивостью в разных агрессивных средах, в среде сероводорода в том числе.
Данные для сравнения технологических свойств тампонажных растворов и физико-механических параметров камней, образующихся при использовании проектной и предлагаемой технологий крепления всех обсадных колонн, представлены в табл.2.
В табл.3 приведены результаты расчета давлений при реализации процесса крепления всех обсадных колонн на площадях АГКМ по проектной и предлагаемой технологиям.
Анализ данных табл.2 и 3 показывает, что при креплении кондуктора 426 мм и I промежуточной обсадной колонны 324 мм предлагается использовать аэрированные тампонажные растворы с базовой плотностью 1730-1760 кг/м3. При перемешивании аэрированных тампонажных растворов с базовыми плотностями в емкостях осреднительных плотности их понижаются и обеспечивают при этом давления гидростатические ниже давлений гидроразрыва пород (см.табл.3).
Для крепления II промежуточной 244,5/250,8 мм и эксплуатационной 168,3 мм обсадных колонн предлагается применять седиментационно и суффозионно-устойчивые тампонажные растворы с неизменными плотностями при перемешивании в емкостях осреднительных.
Следует отметить, что при высоких плотностях буровых растворов изменения плотностей тампонажных растворов, в достаточно широких диапазонах, не приводит к сколько-нибудь существенным изменениям давлений гидростатических (см.табл.3).
Поэтому применение пониженных плотностей тампонажных растворов при креплении как первой, так и второй ступеней II промежуточной обсадной колонны 244,5/250,8 мм допустимо и целесообразно.
Вследствие небольшого интервала заколонного пространства (50 м) крепление эксплуатационной обсадной колонны 168,3 мм предлагается осуществлять в одну ступень с использованием тампонажного раствора с неизменной плотностью (1920 кг/м3) при перемешивании в емкости осреднительной (см.табл.3).
В связи с вышеизложенным, практическое использование новых материалов и инновационной технологии позволит значительно повысить качество крепления всех обсадных колонн на площадях АГКМ, исключив при этом опасные осложнения данного технологического процесса.
Литература
1. Измухамбетов Б.С., Агзамов Ф.А., Умралиев Б.Т. Применение дезинтеграторной технологии при получении порошкообразных материалов для строительства скважин. – СПб.: ООО «Недра», 2007. – 464с.
2. Живаева В.В. Методика определения факторов, влияющих на прочность адгезионной связи цементного камня с обсадной колонной // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. – 2010. – №5. – С 36-38
3. Самсоненко А.В., Симонянц С.Л., Самсоненко Н.В. Новый порошкообразный буферный материал для повышения качества подготовки стволов скважин к цементированию // Вестник ассоциации буровых подрядчиков. – 2009. - № 4. – С.30-34.
4. Патент № 2324721 Российская федерация, МПК С09К 8/40. Сухая смесь для буферного раствора / Самсоненко А.В., Самсоненко Н.В., Самсоненко В.И., [и др.] (Россия).- № 2006125984/03; заявл. 19.07.2006, опубл. 20.05.2008, Бюл. № 14.
5. Болдырев А.С., Ратинов В.Б. Добавки в бетон. Справочное пособие. М.: Стройиздат, - 1988.- С 229-244
6. Руководство по применению химических добавок в бетоне. М.: Стройиздат, 1985. – 64с
7. Самсоненко А.В., Симонянц С.Л., Самсоненко Н.В. Требования к качеству тампонажных материалов для разных условий применения // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. – 2009. - № 10. – С.37-39.
8. Самсоненко А.В., Симонянц С.Л., Самсоненко Н.В. Новые тампонажные материалы для использования в условиях нормальных и умеренных температур // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. – 2009, № 10. – С.42-47.
9. Самсоненко А.В., Симонянц С.Л., Двукраев К.С. [и др.] Новый порошкообразный расширяющийся тампонажный материал для низких температур // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. – 2011. - № 2. – С.35-38.
10. Патент № 2380392 Российская федерация, МПК С09К 8/467. Расширяющийся тампонажный материал / Самсоненко Н.В., Самсоненко А.В., Самсоненко И.В., (Россия).- № 2007140579/03; заявл. 02.11.2007, опубл. 27.01.2010, Бюл. № 3.
11. Самсоненко А.В., Самсоненко Н.В., Симонянц С.Л. Результаты применения седиментационно-устойчивых тампонажных материалов в практике цементирования // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. – 2010. - № 12. – C.29-32.
12. Бутт Ю.М., Сычев М.М., Тимашев В.В. Химическая технология вяжущих материалов // Учебник для вузов / Под ред. Тимашева В.В. – М.: Высш. школа. 1980. – 472с., ил.
