Опыт внедрения тампонажных материалов, изготовленных по технологии сухого смешивания

РЕФЕРАТ. Проведен анализ целесообразности использования тампонажных материалов, которые производятся по технологии сухого смешивания.

Ключевые слова: тампонажный цемент, скважина, цеолит, сухие строительные смеси, водоотделение, акустическая цементометрия.

Keywords: oil-well cement, borehole, zeolite, dry building mixtures, water reduction, acoustic cement bond logging.

Постановка проблемы. Развитие технологии проведения буровых работ требует постоянного усовершенствования материалов, которые используются при сооружении скважин. От правильного выбора и реализации конструкции скважины зависит ее долговечность как инженерного сооружения. Качество тампонажных материалов, которые на сегодняшний день используются в промышленной практике, не удовлетворяет требованиям времени.

Несоответствие состава компонентов горно-геологическим и технико-технологическим особенностям месторождений углеводородов, неправильный подбор рецептуры и/или отсутствие условий для точной дозировки компонентов в полевых условиях приводят к возникновению осложнений и аварий, таких как поглощения, кольматация продуктивных пластов, преждевременное схватывание тампонажной суспензии, низкая прочность тампонажного камня. При этом также возникает угроза загрязнения окружающей среды и т. д.

Решить данную проблему можно, адаптировав технологию сухих строительных смесей (ССС) к изготовлению современных тампонажных материалов. ССС изготавливаются в заводских условиях путем тщательного смешивания вяжущего вещества, заполнителей, наполнителей и химических добавок-модификаторов [1].

Анализ последних исследований и пуб­ликаций. Согласно стандарту ДСТУ Б В.2.7-88—99 (ГОСТ 1581—96) принято разделять тампонажные портландцементы на три типа: I — тампонажный портландцемент бездобавочный; II — тампонажный портландцемент с минеральными добавками; III — тампонажный портландцемент с минеральными добавками, которые регулируют плотность. Технологически требуемая растекаемость таких систем должна составлять не менее 200 мм, а водоотделение — не более 7,5—10,0 мл в зависимости от рабочей температуры и плотности тампонажной смеси. К сожалению, такие требования часто не отвечают условиям цементирования скважин в отношении качества тампонажа, в основном из-за ненадлежащих показателей водоотдачи, водоотделения и структурно-реологических свойств. 

В случае применения облегченных тампонажных материалов из-за высокого водоцементного отношения (В/Ц) дополнительно возникают значительные усадочные деформации, что может послужить причиной возникновения трещин в цементном камне и неудовлетворительной герметичности заколонного пространства. Современные тампонажные материалы должны характеризироваться нулевым водоотделением и растекае­мостью 230 мм, водоотдачей, сопоставимой с буровыми промывающими жидкостями, и способностью обеспечить герметичность заколонного пространства [2]. Для достижения этого на буровой к тампонажным материалам добавляют органо-химические добавки в жидком виде [3, 4]. Такой способ введения химических добавок не может гарантировать точность их дозировки и тщательность перемешивания, а значит, и стабильность показателей тампонажной смеси.

Цель работы: внедрение новой технологии изготовления модифицированных облегченных тампонажных материалов.

Методы исследования и материалы. Облегченные тампонажные смеси получали на основе портландцемента ПЦ I-500-Н производства ПАО «Николаевцемент». В каче­стве минеральных компонентов использовали цеолит и метакаолин. Для регулирования свойств растворной смеси и затвердевшего тампонажного раствора вводились органические добавки-модификаторы: пластификатор поликарбоксилатного типа, стабилизатор на основе водорастворимых эфиров целлюлозы, антивспениватель и микроармирующие полипропиленовые волокна (ФПВ). В качестве расширяющей добавки использовалась низкореакционная негашеная известь.

Сухие тампонажные смеси исследовали согласно ДСТУ Б В.2.7-86—99 (ГОСТ 26798.1—96). Линейное расширение определяли соглас­но ТУ У В.2.7-26.6-32312060-003:2005.

Результаты исследований. В работе [5] приведены составы разработанных облегченных тампонажных цементов, которые соответствуют требованиям ДСТУ Б В.2.7-88—99 (ГОСТ 1581—96). Оптимальным по структурно-реологическим свойствам и ранней прочности является цемент, который содержал в качестве облегчающих добавок 20 масс. % цеолита и 10 масс. % метакаолина. Состав и свойства тампонажной смеси, полученной на его основе, приведены в табл. 1.

Большое количество воды затворения, которое используется для достижения заданной растекаемости и плотности облегченной тампонажной смеси, в ходе твердения обус­ловливает интенсификацию контракции, что может привести, как отмечалось выше, к нарушению герметичности крепления. Использование комплекса модифицирующих полифункциональных добавок (стабилизатор—пластификатор—антивспениватель—ФПВ) позволяет получить смесь с заданными свойствами и способствует уменьшению деформационных напряжений в разные перио­ды гидратации. Так, стабилизация частиц тампонажной смеси путем введения добавки гидроксиэтилцеллюлозы, уменьшая пластическую деформацию системы при схватывании, обеспечивает понижение седиментации. Кроме того, уже на 20-е сутки усадка раствора с использованием добавки-стабилизатора на 25 % меньше, чем усадка состава без добавок, и равна 1,23 мм/м (рис. 1). Через 3 месяца усадка раствора без химических добавок составляет 3,22 мм/м, а усадка раствора с добавкой стабилизатора — 2,55 мм/м. Введение в состав композиции полипропиленовых волокон вследствие микроармирования системы увеличивает ее внутренние напряжения и соответственно уменьшает усадку. Усадка раствора через 20 и 90 сут твердения системы составляет 0,99 и 2,27 мм/м соответственно, что на 39 и 30 % меньше, чем для состава без добавок.

Рис. 1. Деформации усадки тампонажного раствора, модифицированного добавками различного действия

Уменьшение усадочных деформаций, безусловно, положительно влияет на структурообразование тампонажного раствора, однако качественная герметизация заколонного пространства, устраняющая опасность образования флюидопроницаемых каналов в контакт­ных зонах цементного камня, возможна только при применении расширяющихся смесей. Использование в тампонажных смесях СаО в качестве расширяющей добавки, механизм действия которой определяется кинетикой кристаллизации Ca(OH)₂, при повышенных термобарических параметрах в скважине требует применения специальной низкореакционной извести, обжиг которой проходит при повышенных температурах, в сравнении с традиционной негашеной известью. Установлено, что введение в состав смеси 3 масс. % извести обеспечивает расширение 1,58 %. При использовании 7 масс. % извести расширение составляет 9,47 % (рис. 2), однако структурообразование таких систем неконтролируемо, что угро­жает возникновением микротрещин. Таким образом, оптимальное содержание молотой негашеной извести в тампонажном растворе составляет 3—5 масс. %, чем обеспечивается линейное расширение 1,58—4,21 %. Такой уровень расширения обусловливает достаточное давление (1—2 МПа) на стенки скважины и способствует эффективному уплотнению заколонного пространства, повышению прочности и, как следствие, снижению его газо- и водопроницаемости. Контракция такой цементной системы является равнодействующей двух противоположных процессов: уменьшения количества жидкой фазы, обусловленного гидратацией новообразований и набуханием гелей, и увеличения объема твердых фаз при тех же процессах, а расширение является результатом гидратации фаз-«антагонистов».

Рис. 2. Влияние низкореакционной негашеной извести на расширение тампонажного раствора через 1 сут твердения при температуре 75 °С

По результатам исследований были изготовлены опытные партии расширяющейся облегченной тампонажной смеси с пониженной водоотдачей для цементирования скважин с низкой, умеренной и повышенной температурой — от 15 до 100 °С (РТС Об. ПВ), где в качестве облегчающих добавок использовались не традиционные глинопорошки, а цеолит и метакаолин. Вследствие синергического взаимодействия добавки цеолита и метакаолина связывают гидроксид кальция, выделяющийся при гидратации алита, улучшая долговечность цементного камня и продлевая срок эксплуатации скважины.

Внедрение рецептур тампонажных материалов было проведено на ООО «Ферозит» совместно с исследователями Национального университета «Львовская политехника» и Национального технического университета нефти и газа (г. Ивано-Франковск). Предприятие «Ферозит» изготавливает широкий ассортимент строительных материалов: клеи, шпаклевки, штукатурки, смеси для устрой­ства полов. Изготовление данных композиций проводится по традиционной технологии ССС. Учитывая дефицит ассортимента качественных тампонажных материалов в Украине, предприятие внедрило выпуск сухих тампонажных смесей.

Подтверждением качества разработанной композиции служит анализ применения тампонажной смеси РТС Об. ПВ при цементировании скважин месторож­дений, которые принадлежат ПАО «Укрнафта». Для проведения лабораторных испытаний было смоделировано цементирование нижней секции (245 мм) промежуточной колонны в скважине № 113 Рудивско-Червонозаводского месторож­дения, которое характеризуется аномально низким пластовым давлением: продолжительность операции Т_цем = 5,5 ч, плотность тампонажной смеси — 1530 кг/м³, статическая температура t_ст.мах = 64 °С, максимальное давление на тампонажную суспензию Р_мах = 45,0 МПа. Результаты тестирования приведены в табл. 2.

Изготовленную облегченную сухую тампонажную смесь использовали во время цементирования верхней секции размерами ∅ 146 × 168 мм эксплуатационной колонны (в интервале 0—1190 м) в условиях предрасположенности к поглощению отложений в скважинах № 10 и 21 Верхне-Масловецкого месторождения. При приготовлении растворной смеси на основе разработанной композиции плотность суспензии составляла 1560—1620 кг/м³. После гомогенизации в усреднительной емкости в скважину закачивали тампонажную смесь плотностью 1580 кг/м³. Во время внедрения тампонажной смеси нарушений технологического процесса цементирования не зафиксировано. После завершения креп­ления скважин эксплуатационной колонной была проведена акустическая цементометрия (АКЦ).

О высоком качестве разработанного материала свидетельствуют значения рассчитанного по методике НПО «Бурение» (г. Краснодар) коэффициента качества цементирования скважин:

где L_ц – длина зацементированного участка, м; L₁, L₂, L₃, L₄ – длина зацементированных участков соответственно при отсутствии контакта, при плохом, частичном и плотном контакте, м.

При использовании данного коэффициента как критерия качество цементирования оценивается следующим образом:

К = 300...400 — хорошее,

К = 200...300 — удовлетворительное,

К = 100...200 — плохое.

Коэффициент качества цементирования скважин разработанной композицией в несколько раз больше аналогичного показателя для скважин, которые были зацементированы традиционным облегченным тампонажным цементом ПЦТ III Об.5—100 (табл. 3).

Выводы. Для обеспечения эксплуатационной надежности скважин целесообразно использовать тампонажные материалы, изготовленные по технологии ССС. Анализ результатов тестирования зацементированных обсадных колонн в скважинах, которые характеризуются аномально низким пластовым давлением, свидетельствует, что разработанные облегченные тампонажные материалы характеризуются необходимыми структурно-реологическими и улучшенными физико-механическими свойствами — пониженной водоотдачей, повышенной прочностью, стойкостью к деформациям.

Работа, результаты которой изложены в статье, выполнена при финансовой поддержке Европейского Союза, в рамках Программы транс­граничного сотрудничества Польша—Беларусь—Украина 2007—2013. 

Ответственность за содержание данной пуб­ликации несет исключительно Национальный университет «Львовская политехника».

ЛИТЕРАТУРА

1. Соболь Х.С., Терлыга В.С. Использование технологии сухих строительных смесей для изготовления облегченных тампонажных материалов // Сухие строительные смеси.. 2011. № 4. С  41—43.

2. Terlyha V., Sobol Kh., Tershak B. Modified oil-well cements for casing boreholes with abnormally low stratum pressure // 18-th Intern. conf. on building materials «18.Ibausil». Weimar, 12—15 September, 2012.

3. Булатов А.И., Проселков Ю.М., Шаманов С.А. Техника и технология бурения нефтяных и газовых скважин. М.: Изд. ООО «Недра-Бизнесцентр». 2003. 1007 с.

4. Булатов А.И., Данюшевский В.С. Тампонажные материалы. М.: Недра, 1987. 280 с.

5. Терлига В.С., Соболь Х.С., Новицький Ю.Л. Дослідження полікомпонентних модифікованих тампонажних розчинів з пониженою густиною // Будівельні матеріали, вироби та санітарна техніка. 2012. Вип. 4. С. 170—174.