Повышение качества крепления скважин на месторождениях арктического шельфа России
О.С.Мнацаканян, Генеральный директор ФГУП «Арктикморнефтегазразведка»
Вопросы качественного крепления скважин и разобщения пластов являются одними из наиболее ответственных и сложных во всем цикле строительства скважин. Острота этих вопросов возрастает при строительстве скважин на морских месторождениях, поскольку отрицательные последствия нарушения герметичности крепи скважины могут привести даже к экологическим катастрофам.
Традиционно применяемые в настоящее время тампонажные материалы на цементной основе не могут обеспечить надежной герметизации затрубного пространства за обсадными колоннами из- за повышенной водоотдачи и низкой седиментационной устойчивости, контракции и усадочных деформаций при твердении.
Анализ работ отечественных и зарубежных ученых и специалистов- практиков позволяет выделить несколько характерных для регионов арктического шельфа факторов, влияющих на качество крепления скважин:
- низкая скорость гидратации и длительные сроки схватывания;
- плохая седиментационная устойчивость раствора со всеми отрицательными последствиями;
- усадка цементного камня при твердении;
- низкая прочность и высокая проницаемость получаемого камня.
Большинство этих факторов является следствием потери свойств цемента в результате его комкования при хранении, что связано с уменьшением его удельной поверхности в результате гидратации зерен цемента за счет воды, адсорбирующейся в межзерновом поровом пространстве. Чем выше относительная влажность окружающей среды и чем больше удельная поверхность цемента, тем больше вероятность ухудшения его свойств при хранении.
Табл. 1 Влияние дезинтеграторной
обработки на свойства цемента
В связи с перспективностью нефтегазоносности месторождений арктического шельфа России и предстоящими большими объемами работ в данном регионе, очевидно, не удастся исключить длительное хранение тампонажных материалов до их применения, и, следовательно, не удастся полностью исключить потерю ими эксплуатационных характеристик. Поэтому разрабатываемые технологии по повышению качества крепления скважин должны быть, прежде всего, направлены на восстановление удельной поверхности цемента. Для решения этой проблемы отечественными исследователями были предложены интересные и оригинальные технологические приемы [1–7], основанные на использовании методов сухого и мокрого помола.
Вместе с тем, анализ имеющихся работ и проведенные нами исследования позволяют считать, что задача восстановления свойств тампонажных цементов и повышения на этой основе качества крепления скважин может быть решена с помощью дезинтеграторной технологии [9–14]. Ее принципиальным отличием от других технологий восстановления свойств цементов является активация материалов и повышение их реакционной способности.
Табл. 2 Влияние дезинтеграторной обработки на свойства раствора и камня
Дезинтеграторная технология может быть особенно эффективна при бурении скважин на морских и шельфовых месторождениях, при бурении с плавучих средств, т.к. активационные установки могут легко вписываться в существующие стационарные технологические схемы.
Из множества направлений совершенствования и развития дезинтеграторной технологии, применительно к месторождениям арктического шельфа, мы считаем наиболее важнейшими следующие:
- получение небольших партий специальных цементов;
- восстановление свойств цементов длительного хранения;
- использование двухступенчатого помола цементного клинкера при получении тампонажных портландцементов;
- модификация цементов реагентами.
Экспериментальные исследования
Активации подвергался тампонажный цемент Новотроицкого цементного завода, хранившегося на складе в течение 6 и 18 месяцев. Обработка проводилась при удельном расходе электроэнергии от 5 до 50 кВт.ч/т со скоростями соударения частиц 90, 120, 160,180, 210 м/с.
В результате экспериментов было установлено, что для восстановления свойств слежавшегося цемента до требований ГОСТ, требуется обработка со сравнительно низким удельным расходом электроэнергии (10 кВт·ч/т) при скорости соударения частиц 120 м/сек. Высокий режим активации (40–50 кВт·ч/т) при скоростях 180–210 м/с цемента, хранившегося на складе в течение 1.5 лет и сохранившего порошкообразное состояние с крупинками, позволяет получить высокоактивный цемент, который можно применять для цементирования скважин с отрицательными и низкими положительными температурами без добавления ускорителей схватывания.
Для цементов со сроком хранения 8 месяцев при естественной влажности было проведено более детальное исследование дезинтеграторной обработки на свойства раствора цемента и камня.
Табл. 3 Результаты цементирования обсадных колонн
Водопотребность тампонажных смесей определялась исходя из получения тампонажного раствора с растекаемостью 200 мм. Цемент обрабатывался при режимах от 3000 до 24000 об/мин. С ростом частоты вращения роторов дезинтегратора растекаемость начинает уменьшаться, и при частоте вращения более 15000 об/мин раствор становится непригодным для цементирования без применения пластификаторов.
В то же время следует отметить, что при обработке материала с большими энергиями удается сохранить заданную подвижность раствора (200 мм) даже при достаточно большом водоцементном отношении 0.65–0.67. При водоцементном отношении в этих пределах плотность тампонажного раствора, получаемого на бездобавочном цементе, становится менее 1650 кг/см3. Это свидетельствует о возможности получения высокопрочных облегченных тампонажных растворов и возможности получения тампонажных растворов плотностью 1400 – 1500 кг/см3 при небольшом количестве инертных добавок.
Дезинтеграторная активация тампонажных материалов повышает седиментационную устойчивость цементных суспензий, и при определенных режимах обработки материала суспензии становятся седиментационно- устойчивыми. В частности, тампонажный портландцемент после 8 месяцев хранения, обработанный в дезинтеграторе при частоте вращения роторов до 18000 об/мин, показал высокую стабильность и не выделил жидкой фазы при отстое.
По нашему мнению, повышение седиментационной устойчивости тампонажных суспензий после дезинтеграторной обработки происходит за счет увеличения дисперсности цемента. Определенную роль при этом могут играть электростатические явления на активированных поверхностях, способствующих проявлению отталкивающих сил. Последние, в свою очередь, задерживают коагуляцию раствора в индукционном периоде и способствуют повышению агрегативной устойчивости тампонажной суспензии.
Соответственно при обработке изменяется кинетика твердения, что отразилось на скорости схватывания цементного раствора и прочности полученного камня, которая значительно превышает требования ГОСТ.
Кроме этого, был исследован цемент, находившийся на базе острова Колгуев и использовавшийся для крепления пробуренных там скважин. По результатам лабораторного анализа было выявлено, что цемент марки ПЦТ-Д20-50 не соответствовал ГОСТу 1581-96. Перед дезинтеграторной обработкой проба цемента предварительно была размолота до тонкости помола проходящего через сито с отверстиями 4.0 мм. Пробы испытываемого цемента были активированы при скоростях вращения роторов от 4800 до 12000 об/мин (табл. 1).
Опыты показали, что дезинтеграторная обработка уже при скоростях вращения ротора более 4800 об/мин позволила нормализовать удельную поверхность цемента длительного хранения.
Показатели тампонажных растворов при водоцементном отношении 0.5 и камня, приготовленного из них, приведены в табл. 2. Номера опытов соответствуют табл. 1.
Начало схватывания исходного цементного раствора из- за наличия крупных частиц цемента не было однозначно зафиксировано, а конец схватывания превысил 20 часов. Дезинтеграторная обработка позволила резко повысить скорость твердения и приблизить сроки схватывания к стандартным. Более ощутимо влияние активации на седиментационную устойчивость.
Влияние активации на прочность существенно, причем приращение прочности пропорционально скорости вращения и соударения частиц.
Указанные результаты вполне вписываются в теорию дезинтеграторного измельчения материалов и показывают перспективность данной технологии.
В процессе экспериментов были получены положительные результаты по использованию дезинтеграторной технологии при химической обработке тампонажных цементов для приготовления пластифицированных цементов. Кроме того, экспериментальные исследования подтвердили возможность получения высокопрочных облегченных тампонажных смесей, благодаря дополнительному резерву прочности цемента, получаемого при его дезинтеграторной активации. Нами совместно с И.Н.Каримовым была исследована цементно- зольная тампонажная композиция, в которой в качестве вяжущего был использован цемент со сроком хранения 6 месяцев. Результаты экспериментов, показали, что введение золы в достаточно долго хранившийся цемент при незначительном увеличении водоцементного отношения (0.55–0.7) позволяет получить высокопрочные облегченные растворы с приемлемой подвижностью.
Также были проведены эксперименты по технологии двухступенчатого помола цементов, которые показали, что независимо от крупности исходных материалов с увеличением интенсивности дезинтеграторной обработки удельная поверхность тампонажного материала увеличивается, что не противоречит общеизвестным закономерностям. Наилучшие результаты в повышении технологических параметров тампонажного цемента получены при удельной поверхности портландцемента 190–205 м2/кг. В этом случае приращение удельной поверхности на 30–50% больше по сравнению с цементом, имеющем исходную удельную поверхность 1000–300 м2/кг. Также установлено, что при удельной поверхности исходного цемента 190–205 м2/кг растекаемость цементного раствора имеет максимум при минимальном водоцементном отношении. Независимо от крупности исходного цемента при всех исследованных режимах активации прочность камня, полученного из тампонажных материалов дезинтеграторного приготовления и твердевшего в нормальных условиях, имеет тенденцию к увеличению.
По нашему мнению, в настоящее время наиболее выгодно производство мобильных установок сухого и жидкого помола производительностью до 1 т/ч и дезинтеграторных линий производительностью 3 т/ч, позволяющих с высокой степенью мобильности выпускать широкую номенклатуру материалов, как для крепления, так и для капитального ремонта скважин и обеспечивать потребности любых предприятий. Габариты и компоновка установки должны быть такими, чтобы ее легко можно было вписать в имеющуюся технологическую схему установок для морского бурения.
Практическая реализация результатов исследований
В результате приведенных исследований разработаны технологические режимы приготовления и активации тампонажных материалов. Совместно со специалистами УГНТУ для месторождений арктического шельфа была разработана и изготовлена специальная активационная установка.
После ее сборки была проведена обкатка и проверка работоспособности отдельных узлов, агрегатов и установки в целом. Для этого, на базе АМНГР обработке были подвергнуты имеющиеся там тампонажные цементы и глинопорошки, показавшие работоспособность установки.
Проведенные испытания показали, что результаты работы дезинтеграторной установки коррелируются с результатами экспериментальных исследований.
После этого установка была доставлена на о.Колгуев, где использовалась для обработки цементов при креплении кондукторов и эксплуатационных колонн на скважинах Песчаноозерской площади.
После подготовки тампонажного цемента он загружался в цементосмесительные машины и доставлялся на буровую. Для цементирования кондукторов использовался тампонажный раствор нормальной плотности, для крепления промежуточных колонн и кондукторов – раствор нормальной плотности (300–500 м от забоя) и облегченный тампонажный раствор (в остальной части интервала).
Облегченные тампонажные материалы приготавливались смешением портландцемента и глинопорошка в соотношении 85:15 на дезинтеграторной установке. На буровые эти цементы доставлялись в цементо- смесительных машинах.
Тампонажные растворы приготавливались через осреднительную емкость. Для контроля процессов цементирования применяли станцию контроля цементирования.
По результатам освоения, испытания скважин, а также по данным АКЦ было отмечено улучшение качества цементирования (табл. 3).
Проведенные промышленные испытания позволили установить:
- при загрузке цемента в смесительные машины происходит значительное снижение его потерь. Если раньше при загрузке выбраковывалось до 30% цемента из- за образовавшихся комков цемента, то при использовании дезинтеграторной установки потери составили менее 5%;
- исчезли осложнения при приготовлении тампонажных растворов;
- значительно улучшилось качество получаемого тампонажного раствора, цементного камня;
- повысилось качество цементирования.
Экспериментальные и промышленные исследования по дезинтеграторной технологии показали хорошие перспективы ее использования для восстановления свойств тампонажных материалов и, как следствие, повышения качества крепления скважин.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Антонова М.П., Курдачев А.И. Улучшение свойств лежалых и свежих тампонажных цементов с помощью ультразввука. НТС «Бурение», вып. 6., ВНИИОЭНГ, м., 1967.
2. Бережной А.И., Зельцер П.Я. Повышение активности лежалого тампонажного цемента. ВНИИЭГазпром, 1972, №13.
3. Горский А.Т., Швецов В.Д. Улучшение свойств цементных растворов, приготовленных из лежалых цементов.–«Нефть и газ Тюмени», 1969, №4.
4. Детков В.П., Козодеров В.А., Сабирзянов А.К. Гидравлическая активация цемента, М.: «Бурение», ВНИИОЭНГ, 1974, №5.
5. Круглицкий Н.Н., Гранковский И.Г., Вагнер Г.Р., Детков В.П. Цементирование низкотемпературных скважин активированными тампонажными растворами, РНТС, ВНИИОЭНГ, «Бурение» 1973, вып.5.
6. Хусид Л.Б., Ковалев А.Т. Временная инструкция по гидравлической активации лежалых цементов. Краснодар, изд-во ВНИИКрнефти, 1973.
7. Шадрин Л.Н., Кантакаузен А.В. Восстановление свойств лежалых тампонажных цементов. – В кн. Проблемы развития нефтегазодобывающей промышленности Западной Сибири. М.: 1967.
8. Исследование процессов комкования в слеживаемости тампонажных материалов в процессе хранения. Авт. Скворцов Ю.П., Кравцов В.М. и др. Научно-тематический сборник «Проблемы нефти и газа Тюмени» вып. 39,Тюмень, 1978г
9. Хинт И.А. Основы производства силикальцитных изделий. М.: Госстройиздат. – 1962.
10. Дистлер Г.И. О механизме механоактивации твердых и жидких систем и механизме, протекающих во время и после активации химических реакций:Тез. докл./ II семинар по УДА-технологии. Таллинн:, 1983 – С. 8–10.
11. Бутягин П.Ю. Энергетический выход механо-химических процессов. УДА-технология //Тезисы доклада семинара.– Таллинн:1983.- с.5–7.
12. Ванаселья Л.С. Успехи и задачи развития дезинтеграторной технологии /Тезисы докладов II семинара УДА-технологии.- Таллинн: 1983.-с. 3-5.
13. Измухамбетов Б.С., Каримов Н.Х., Агзамов Ф.А., Мавлютов М.Р. Применение дезинтеграторной технологии в нефтегазовой промышленности.- Самара: 1998.-150 с.
14. Каримов Н.Х., Измухамбетов Б.С. Дезинтеграторный способ регулирования свойств материалов, применяемых в бурении./ Энергетика и топливные ресурсы Казахстана – Алматы: 1994.- №4.- с. 15–21.
15. Зельцер П.Я., Мавлютов М.Р., Агзамов Ф.А. Ресурсосберегающие технологии и материалы в креплении скважин./ Обзор.информ. Техника и технология геол.-развед. работ. -М.: ВИЭМС. 1989. Вып. 2.- 43 с.
