Исследование и разработка энергосберегающих технологий приготовления и гомогенизации буровых и тампонажных растворов, основанных на эффектах волновой механики

Ганиев, Станислав Ривнерович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Исследование и разработка энергосберегающих технологий приготовления и гомогенизации буровых и тампонажных растворов, основанных на эффектах волновой механики
ВАК РФ 25.00.15, Технология бурения и освоения скважин

Автореферат диссертации по теме "Исследование и разработка энергосберегающих технологий приготовления и гомогенизации буровых и тампонажных растворов, основанных на эффектах волновой механики"

На правах рукописи

ГАНИЕВ СТАНИСЛАВ РИВНЕРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИГОТОВЛЕНИЯ И ГОМОГЕНИЗАЦИИ БУРОВЫХ И ТАМПОНАЖНЫХ РАСТВОРОВ, ОСНОВАННЫХ НА ЭФФЕКТАХ ВОЛНОВОЙ МЕХАНИКИ

Специальности 25.00.15 - Технология бурения и освоения скважин 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (нефтегазовая отрасль)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2010

003493359

Работа выполнена в лаборатории нелинейных волновых процессов в нефтегазовом комплексе Научного центра нелинейной волновой механики и технологии РАН

Научный руководитель

- кандидат технических наук Сонин Валерий Николаевич

Научный консультант

■ доктор технических наук Украинский Леонид Ефимович

Официальные оппоненты:

■ доктор технических наук, профессор Фролов Андрей Андреевич

■ кандидат технических наук Мнацаканов Александр Васильевич

Ведущая организация

• Уфимский государственный нефтяной технический университет (УГНТУ)

Защита состоится «24» марта 2010 года в 15 часов 30 минут на заседании объединенного диссертационного совета ДМ 002.263.01 при Научном центре нелинейной волновой механики и технологии РАН (НЦ НВМТ РАН) по адресу: г. Москва, 119334, ул. Бардина, д.4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НЦ НВМТ РАН по адресу: г. Москва, 119334, ул. Бардина, д.4.

Автореферат разослан «24» февраля 2010 года

Ученый секретарь диссертационного совета

Аверьянов А.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Строительство нефтяных и газовых скважин в нефтедобывающей отрасли России - одно из капиталоемких и наиболее ответственных мероприятий при разработке месторождений углеводородов. Поэтому снижение затрат на бурение, при сохранении качества и экологической безопасности буровых работ является актуальной задачей, позволяющей снизить объем капитальных вложений и, в конечном счете, повысить рентабельность отрасли.

В свою очередь, большая часть затрат на бурение зависит от буровых растворов. Геолого-технические условия бурения скважин постоянно меняются: растут глубины, расширяются регионы буровых работ на суше и на море. В последние годы резко возросли экологические требования к процессу бурения в целом, и к буровым растворам в частности, поскольку они содержат в своем составе до десятка необходимых, но опасных для окружающей среды компонентов (солей, щелочей, поверхностно-активных веществ и др.)

Не меньшее значение при строительстве нефтяных и особенно газовых скважин придается обеспечению герметичности заколонного пространства, заполняемого, как правило, тампонажным раствором на минеральной основе.

Вопросу создания буровых и тампонажных растворов с требуемыми технологическими свойствами уделяется достаточно серьезное внимание, но проблемам энергетически оправданного смешения порошкообразных материалов и дисперсионной среды с различными малыми добавками, регулирующими те или иные физико-механические и реологические характеристики сухих смесей и растворов из них - внимание явно недостаточное и до сих пор остается на уровне смешения механическими и гидродинамическими мешалками.

Цель работы

Повышение эффективности строительства нефтяных и газовых скважин интенсификацией процессов приготовления и активации буровых и тампонажных растворов аппаратами, реализующими эффекты волновой механики.

Основные задачи исследований

1. Обобщение технологических требований к буровым и тампонажным растворам.

2. Создание теоретических основ совершенствования технологий приготовления и активации буровых и тампонажных растворов.

3. Лабораторные и промысловые исследования волновой обработки исходных материалов (сухих смесей) и водных суспензий промывочных и тампонажных растворов для получения растворов с заданными технологическими характеристиками.

4. Создание устройств на волновых принципах и ресурсосберегающих технологий с их использованием для интенсификации процессов приготовления промывочных и тампонажных растворов.

Научная новизна работы

1. Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены эффекты энергосбережения при смешении и гомогенизации сухих композиций для приготовления буровых и тампонажных растворов с заранее заданными свойствами.

уменьшить удельные расходы дорогостоящих компонентов, например, полимеров;

получать новые порошкообразные и жидкофазные композиционные материалы с заранее заданными свойствами (вязкостными, структурно-механическими и т.д.);

повысить уровень агрегативной устойчивости и стабильности структурно-механических свойств растворов;

повысить плотность структуры и прочность цементного камня при затвердевании тампонажных систем при одновременном уменьшении расхода цемента и полимерных добавок;

повысить степень герметизации заколонного пространства

скважин;

создавать тампонажные композиционные материалы с использованием промышленных отходов (хроматных шламов, зол ТЭЦ и т.п.);

создавать жидкофазные буровые композиционные материалы с улучшенными трибологическими свойствами, применение которых позволяет уменьшить износ инструмента при высоких скоростях бурения.

Практическая ценность и реализация результатов работ

1. На основании обобщения технологических требований к буровым и тампонажным растворам созданы теоретические основы совершенствования процессов приготовления, смешения, гомогенизации и активации как исходных сыпучих продуктов, так и водных суспензий на их основе с заранее заданными свойствами, позволяющие широко использовать новейшие достижения нелинейной волновой механики для создания наукоемких ресурсосберегающих технологий.

2. Разработаны технологические схемы введения различных химических добавок в сухие смеси для получения промывочных растворов с заранее заданными свойствами в условиях буровой.

3. Предложена технология приготовления и гомогенизации облегченных и утяжеленных тампонажных суспензий в условиях буровой, а

также волновая обработка тампонажного раствора в зоне продуктивного пласта с целью недопущения перетоков и герметизации заколонного пространства нефтяных и газовых скважин.

Апробация результатов исследований

Содержание работы докладывались и обсуждались на научно-практической конференции «Экологические проблемы производства и потребления поверхностно-активных веществ» (Россия, Москва, 4- 10 апреля 2007г.), на VII Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях(NPNJ-2008),( Алушта, 24-31 мая 2008 г), на 111-й Международной конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках», (Москва, 21-23 октября 2008 г), на Международной научно-практическом семинаре «Повышение нефтеотдачи пластов и капитальный ремонт скважин», (Самара, 26-31 мая 2008), на Международной конференции « Потоки и структуры в жидкостях: Физика геосфер», (Москва, 24-27 июня 2009 г).

Публикации

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 15 печатных работах, в том числе 1 статья в журналах, рекомендованных ВАК РФ, патентов 3, монографий 1.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников из 85 наименований. Изложена на 196 страницах машинописного текста, содержит 69 рисунков и 12 таблиц.

Автор выражает глубокую признательность и благодарность доктору технических наук Украинскому Л.Е., кандидату технических наук Сонину В.Н. за неоценимую помощь и поддержку при выполнении диссертационной работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований, поставлена цель и определены основные задачи диссертационной работы, сформулированы научная новизна, практическая ценность и показана реализация результатов работ.

В первом разделе рассмотрены основные технологические требования к буровым растворам и тампонажным композициям.

Спектр функций, выполняемых буровыми растворами, постоянно расширяется. Сравнительно недавно появилась и стала бурно развиваться смазывающая и противоизносная функция буровых растворов. Развитие этого направления работ во многом подвигли те впечатляющие успехи, которые были достигнуты в области снижения трения и износа различных машин и механизмов, благодаря смазочным материалам. Другим примером является функция бурового раствора по защите бурильного инструмента от коррозии и нейтрализации агрессивных жидкостей и газов, поступающих в скважину из разбуриваемых пластов.

Можно сформулировать такое общее требование к промывке скважин и буровым растворам: они должны обеспечивать безопасную для недр, окружающей среды и работников проводку скважины до проектной глубины с высокими технико-экономическими показателями при минимальных затратах времени и средств. Из этого общего требования вытекает ряд частных:

1. Не нарушать устойчивость стенки скважины;

2. Не снижать естественную проницаемость продуктивных горизонтов;

3. Сохранять свои свойства при низких и высоких температурах в стволе скважины, при поступлении в раствор выбуренной породы и пластовых флюидов;

4. Не вызывать коррозию оборудования и инструмента, работающих в

среде бурового раствора;

5. Не создавать опасности для недр, окружающей среды и обслуживающего персонала;

6. Быть доступной и по возможности дешевой.

Современные технологии и технические средства для приготовления и гомогенизации буровых растворов обеспечивают достаточно высокую производительность (до 100 м3/час и выше), практически полную механизацию процесса, но, однако, не обеспечивают главного - достаточной степени диспергирования твердой фазы. В результате приготовленный буровой раствор приходится доводить до требуемой кондиции путем многократной циркуляции в системе приготовления, либо в циркуляционной системе буровой установки.

Свойства дисперсных систем, каковыми является подавляющее большинство буровых растворов, очень сильно зависят от концентрации твердой фазы, которую можно регулировать изменением массовой концентрации, но в гораздо большей степени изменением дисперсности (размеров частиц) дисперсной фазы. Она возрастает с увеличением, как массовой концентрации дисперсной фазы, так и ее дисперсности. Увеличение дисперсности значительно эффективнее, поскольку оно не вызывает изменения плотности бурового раствора, не требует дополнительных затрат дисперсной фазы, повышает седиментационную устойчивость и уменьшает его абразивность.

Особенно эти требования предъявляются к качеству тампонажного раствора и камня из него.

В качестве тампонажных материалов в настоящее время широко применяются минеральные вяжущие вещества - порошкообразные продукты, образующие при так называемом затворении, т.е. при смешивании с водой или водными растворами солей, нерасслаивающиеся суспензии, способные к затвердеванию.

В качестве вяжущего обычно используется тампонажный портландцемент, который представляет собой разновидность портландцемента - порошкообразного минерального неорганического вяжущего материала, состоящего главным образом из высокоосновных силикатов кальция.

Несмотря на все разнообразие вяжущих веществ, служащих основой для получения тампонажных дисперсий, процесс превращения их из вязко-пластичного в камневидное состояние всегда включает образование специфических аквакомплексов — гидратных фаз, их частичную или полную кристаллизацию и вхождение в пространственную структуру твердеющего материала, постепенно приобретающего высокую механическую прочность.

Многими исследователями показано, что механические воздействия в зависимости от частоты, времени их приложения и длительности могут в широких пределах изменять период формирования структуры, т. е. управлять процессом структурообразования при твердении. Кроме того, найдены стадии структурообразования, на которых механическая и волновая обработки дают наилучшие результаты

При волновом воздействии каждая частица тампонажной смеси начинает колебаться, вследствие чего на границе частиц с дисперсионной средой происходит тиксотропное разжижение смеси до состояния временной текучести. Эти изменения реологических свойств цементных растворов при воздействии колебаний позволяют добиться однородной смеси, а также увеличить степень гидратации цемента.

Скорость нарастания пластической прочности в период упрочнения структуры цементного теста увеличивается. Предел прочности на одноосное сжатие образцов цементного камня, полученных из активированного теста, оказался значительно более высоким, чем для образцов, приготовленных без активирования. Это обусловлено увеличением равномерности распределения воды между зернами цемента при низком В/Ц, приводящее к повышению пластичности и снижению прочности коагуляционной структуры, дополнительным механическим диспергированием зерен цемента и ускорению процессов гидратации за счет усиления процессов адсорбционного и химического диспергирования и постоянного отвода продуктов гидратации с поверхности вибрирующих зерен и обнажения свежих поверхностей для дальнейшей гидратации.

Волновое воздействие позволяет максимально использовать вяжущие свойства цемента в результате увеличения дисперсности твердой фазы. При этом диспергирование может быть двояким: измельчение твердых поликристаллических частиц цемента, взвешенных в жидкой среде, и пептизация, т. е. разделение агрегатов слипшихся частиц (флокул).

Механическая активация тампонажных растворов улучшает не только физико-механические свойства цементного камня, но и реологические свойства тампонажного раствора, обеспечивает более быстрое формирование прочного цементного кольца в затрубном пространстве.

Во втором разделе рассмотрены теоретические основы совершенствования технологий приготовления буровых и тампонажных растворов.

Известны различные физические явления и процессы, в которых возникает очень высокая локальная концентрация энергии при небольших средних затратах мощности (гидродинамические, акустические, электрогидравлические и др.) нам представляется наиболее интересным использование кавитации.

Во-первых, кавитация довольно легко технически реализуется при атмосферном давлении: достаточно весьма небольших затрат мощности для организации течения с нарушением сплошности потока (рис. 1).

._V

1 - твердая стенка; 2 - текущая жидкость; 3 - кавитационные

пузыри; V- скорость потока

Рисунок 1 - Схема образования кавитации

Известно, что кавитация - нарушение сплошности потока жидкости -возникает при условии:

Р-^—<г (1)

где Р — гидростатическое давление в потоке жидкости; V- скорость потока; р - плотность жидкости; Ъ - объемная прочность жидкости, которую можно принимать равной давлению упругости ее пара.

Из выражения (1.1) можно определить скорость потока, при которой возникает кавитация

к> Ы (2)

Во-вторых, кавитационные пузыри сносятся потоком в область повышенного давления, где они схлопываются с образованием гидравлического удара. Возникающее при этом давление Ру можно определить по формуле Н.Е. Жуковского

Ру=Р-У-с (3)

где р - плотность жидкости; V- скорость потока; с - скорость

распространения ударной волны, которую можно принимать равной скорости звука в жидкости. Для диспергирования твердой фазы в суспензии кавитация будет весьма полезной, поскольку кавитационные пузыри, как известно, легче всего образуются вокруг твердых частиц и при их схлопывании импульсы давления способствуют дальнейшему диспергированию частиц.

В-третьих, вновь образующаяся при диспергировании частиц поверхность чрезвычайно активна в момент образования. Сольватная оболочка газов образуется вокруг частиц и при сухом помоле дисперсной фазы (глины, утяжелителей) буровых растворов. Она затрудняет образование прочной гидратной оболочки или сольватной оболочки химических реагентов при приготовлении бурового раствора, способствуя коагуляции последнего. При кавитационном диспергировании частицы находятся в воде и вокруг них сразу формируется прочная гидратная оболочка или сольватная оболочка химических реагентов, стабилизирующая раствор. В результате можно получить стабильный буровой раствор с минимальной химической обработкой или даже без таковой.

Механическое (т.е. не диффузионное) смешение жидкости происходит благодаря растяжению и искривлению материальных элементов среды в процессе движения жидкости. Представим себе бесконечно малый сферический объем жидкости с центром в точке X, находящийся в начальный момент на входе в смеситель. В процессе движения жидкости будет происходить деформация этого объема и, как следствие, будут изменяться расстояния между составляющими его точками. Очевидно, если через некоторое время Т в результате движения жидкости все точки этого объема будут равномерно распределены по всему объему среды, то можно говорить о хорошем перемешивании данного начального сферического объема. Степень "разбегания" точек локального объема можно характеризовать относительным удлинением начального расстояния между

ними и центральной точкой X в процессе движения. Проведя усреднения по локальному объему, по всем возможным положениям точки X и по времени смешения получим величину - среднее относительное удлинение -интегрально характеризующую степень перемешивания в данном процессе за данное время.

Таким образом, для анализа эффективности смешения можно использовать аппарат кинематики деформируемой среды Пусть задан закон движения континуума:

х = Ф(Х, о , х = Ф(Х, с = 0) (4)

Частица с начальным радиус-вектором X переходит в момент времени / в положение с радиус-вектором х (здесь и далее векторные и тензорные величины выделены жирным шрифтом). Предполагается, что вектор-функция Ф непрерывна вместе со всеми своими частными производными и в каждый фиксированный момент времени является взаимно-однозначной. Как

известно, в этом случае якобиан J = = с!е(:(Г) удовлетворяет условию

0 < У < со .

Деформация элементарного материального отрезка с(Х определяется выражением: с!х = ¥-с1К.

Аналогично определяется изменение элементарной материальной площадки г/А (модуль вектора, характеризующего площадку, равен ее площади, а направление вектора совпадает с нормалью к ней):

с!а = ((1е1Р)(Р~')т ■ с/А ,

где Р - тензор, характеризующий деформацию. Уравнения, описывающие

скорости деформаций, записываются в виде:

0{<ЬЬ 0(аа) D^detF) т

- = ¿х • Vv , - = с1а--с?а ■ (уу)

Dt 01 ОЬ

Относительное удлинение Л и относительное увеличение площади г/,

1с2х| Ш

определяемые как Л = 11т ^— , п = 11т —

|сК| 0 |сОС| |<й|->0 |сА|

они могут быть получены из уравнений:

Л = (С:ММ)1/2, г] = (с^ Е) (С~1:Ш)1/2,

где Сзгт-г,аМ(= сж/|ск|) и >!(= са/|сА|) единичные векторы начальных ориентаций материальных элементов. Основные уравнения для определения интенсивностей относительных растяжений выписываются в

■ Г>(1п Л) „ Д(1п ц) „

форме: —5-- = 0: 1Ш, —-- = V • V - Б: пп (5)

где Вг^ (Уу + (Уу)т) - тензор скоростей деформаций, а т и п - единичные векторы мгновенных ориентаций элементов (т = с!х/|с!х|, п = да./\с1а\).

Будем говорить, что в заданном течении происходит хорошее локальное перемешивание, если осредненные по времени значения величин

С(1п Л) С(1п 7?)

-,-постоянны и положительны, независимо от начальных

£>«: Dt

ориентаций М, N и начального положения материального элемента X. Также используется сравнение течений в терминах безразмерных эффективностей растяжения:

ед(Х,М,0 = /(Ъ : ЪГ < = /(В: Б)"2 < 1 (6)

Отметим, что для случая течений несжимаемой жидкости коэффициенты удовлетворяют следующим оценкам,

е < д/(п - у/л и = Л, ц), где п = 1, 2, 3 -размерность течения. Большие

значения этих коэффициентов соответствуют большим интенсивностям растяжения. Для чисто вязких жидкостей тензор Б характеризует вязкую диссипацию. В этом случае эти эффективности можно рассматривать как величины, характеризующие долю локально диссипированной энергии, идущей на растяжение жидких элементов.

Видно, что для получения величин, характеризующих растяжение жидких элементов по формулам (5) или (6), необходимо знать закон движения жидкости (4) для каждой жидкой частицы X. Функции,

„ д х(Х, Ц

описывающие этот закон, являются решением уравнении: ——- = 1).

Поле скоростей V, в свою очередь, являющееся решением систем уравнений в частных производных, описывающих течение жидкости (уравнения Эйлера, Навье-Стокса и т.п.), в большинстве случаев не может быть получено в аналитической форме и не во всех случаях может быть получено даже с помощью вычислительной техники.

Интенсивности растяжения (5) и эффективности растяжения (6) являются функциями трех переменных - времени, начальных ориентаций и положения, что делает их анализ чрезвычайно сложным. Поэтому, для сравнения течений необходимо использовать осредненные по времени начальным ориентациям М, N материальных элементов и по начальным положениям частиц X величины этих характеристик.

Таким образом, решение задачи об оценке качества перемешивания в исследуемом процессе получается следующим образом.

Находятся нестационарные поля скоростей V и давлений р из решения системы 4-х скалярных уравнений описывающих течение несжимаемой жидкости (типа Навье - Стокса):

р1 — + V • ^ I = -Ур + V • т + рд V • V = О

в заданной геометрии и с соответствующими граничными и начальными условиями (р- плотность жидкости, т - девиаторноя часть тензора напряжений, g - вектор внешних массовых сил).

Затем, по полученным полям скоростей интегрированием системы „ д х(Х, Ь)

уравнении

дъ

с) с начальными условиями х (ХД = 0) = X 6 X

находятся траектории всех частиц жидкости как функции от X и I.

Далее, для каждой частицы жидкости (идентифицируемой своей начальной координатой X) определяется вдоль ее траектории тензор скоростей деформации О(ХД) и для всех возможных начальных ориентаций N е Д^и М е Мопределяются конечные ориентации п(Х, N. I), ш(Х, М, 1).

После этого, с использованием формул (5) и (6) определяются усредненные по времени и начальным направлениям интенсивности и эффективностирастяжения:

1д(Х, Т) =

ух, т>

/Р(1п Л)

\ оь

/ Р( 1п п)

Т /

а г 1 г

(X, т> = - Г — Г

т > |м|

VI I м

(йЫ]

■ш

<х- V = 11 Л {

Т > >| >

Р(1п ??) ОЬ

а N

сг и

с1 Ь

(7)

¿Я(Х, Г) =

Т) =

= 1 ] и

" / т о Цм| м 01 )

К V = - \ Л \

г 5 1М N

с! Ь

Затем проводится усреднение по всем X е X:

= |х| | тХ' \(Т) = Щ | Vх' = ] Ь)(Х' У11 = Щ \ {%)*' (8)

Описанная методика позволяет для любого течения, заданного своим полем скоростей, определить коэффициенты эффективности перемешивания и выбрать параметры течения таким образом, чтобы обеспечить максимальное значение этих коэффициентов.

Прежде чем выбрать генератор для реализации волновых эффектов был сделан полномасштабный обзор конструкций гомогенизаторов и диспергаторов.

Существующие диспергаторы можно разделить на несколько групп: роторные смесители (мешалки); статические смесители; струйные диспергаторы; коллоидные мельницы; щелевые гомогенизаторы; акустические и ультразвуковые диспергаторы.

Проведенный обзор позволил сделать следующие выводы:

1. Кавитация, сопровождаемая многочисленными вторичными эффектами, является мощным интенсифицирующим фактором процессов диспергирования, эмульгирования, гомогенизации, растворения, очистки.

2. Гидромеханическое, массообменные и другие процессы могут быть интенсифицированы при помощи кавитационного и бескавитационного (акустического) воздействий на обрабатываемую среду.

3. Вихревые кавитационные генераторы эффективно применяют в процессах диспергирования, растворения, эмульгирования, гомогенизации. Однако в теории и практике гидромеханического диспергирования остается много неясного.

Исходя из представленного выше современного состояния проблем

применения кавитации и нестационарных течений в технологических целях, можно прогнозировать, что исследования гидромеханического диспергирования и разработка рациональных конструкций гидромеханических диспергаторов будут направлены на решение поставленных в диссертации задач, для чего необходимо провести теоретическое моделирование течения в вихревом кавитационном генераторе, а также сделать расчет гидродинамики генератора, его поля скоростей и гидродинамических сопротивлений.

Рассматривается стационарное закрученное течение вязкой жидкости в цилиндрической трубе длиной £. Ось 02 цилиндрической системы

координат (г,р,2) совпадает с осью трубы и направлена в сторону потока. Введем безразмерные переменные: в качестве масштабов длины, скорости и плотности выберем радиус трубы Ят, среднюю по расходу продольную

скорость ( К,

я-л:

и плотность жидкости р. Допускаем, что при

определенных условиях в осевой зоне течения возможно появление кавитационной каверны. Давлением газа в каверне пренебрегаем.

А-А

Рисунок 2. - Модель кавитационного диспергатора

Для описания течения воспользуемся уравнениями Навье - Стокса.

= дг

д! К ' Яе

сЛУ V = О

Сделаем следующие допущения: решение ищем стационарное и осесимметричное, радиальную компоненту скорости всюду считаем пренебрежимо малой. Для анализа закрученных вязких потоков без кавитации, заменим в конвективных членах уравнений продольную компоненту скорости \г на ее среднее по сечению значение = Вместо

уравнения непрерывности используем условие постоянства расхода жидкости в трубе.

\гУ2(1г = 0,5 (11)

В результате сделанных упрощений получим систему уравнений (12),

дг г

дУ ¿¡2 =2 , , V

^ й2 р ¿И 9 >-а- ч> г2 к к ' К '

_ „ сР 81 „ д2 „ \д „

Яе—-+Ке---г-V =—-V +--V

& ск а? г а-2 г га- 1

где У^, К | обозначают компоненты скорости, Р - давление, К к (г)-

(к)

радиус каверны, Не =—' ' 1 - число Реинольдса, V - кинематическую

вязкость жидкости.

В работе приведено решение этой системы уравнений при определенных граничных условиях, в результате получены формулы для определения частоты и амплитуды колебаний.

Построение адекватной математической модели, позволяющей получить оценки для спектра и амплитуды излучения кавитационного диспергатора, является весьма трудной задачей из-за сложной картины физических процессов, происходящих при зарождении и схлопывании кавитационных каверн и пузырьков.

Типичный спектр волн, возбуждаемых кавитационным диспергатором, представлен на рис.3.

О Зк 10к 13к »* ЗЗк

Рисунок 3,- Спект волн, возбуждаемых кавитационным диспергатором

Можно выделить две области спектра и, соответственно, два механизма возбуждения волн. Колевания в диапазоне от 0 до 4 кГц обусловлены движением кавитационной каверны в полости диспергатора. При этом наблюдаются преимущественно два типа движений: прецессия каверны вокруг продольной оси и бегущие волны на поверхности каверны. На рис.4 представлена фотография каверны, наблюдаемой в диспергаторе, изготовленном из прозрачного материала.

Рисунок 4. - Кавитационная каверна в полости диспергатора

На фотографии отчетливо видны поверхностные волны. Колебания в диапазоне от 5 кГц и выше (до 30 кГц) обусловлены схлопыванием пузырьков, отрывающихся от тела коверны

Амплитуда импульса давления зависит от физических процессов, происходящих в процессе схлопывания, и может быть очень большой. Так, например, в предельном случае, когда теплопроводность жидкости достаточно велика, чтобы отводить или подводить все тепло, которое выделяется при фазовых переходах, компенсирующих изменение размеров пузырька, амплитуда давления растет неограниченно.

Таким образом, в результате теоретических исследований можно сделать следующий вывод.

Создана модель для расчета течения в рабочей камере диспрегатора с учетом явления кавитации. На основе представленной модели проведены расчеты поля скоростей и определено гидродинамическое сопротивление диспергатора. Обнаружен эффект «аномального» поведения сопротивления, вызванный перестройкой течения при возникновении кавитационной каверны.

Показаны механизмы возбуждения акустических колебаний. Приведены формулы для получения оценок частот и амплитуд излучения,

что является обязательным при разработке технологий волновой обработки буровых технологических жидкостей.

В третьем разделе сформулировано обоснование необходиомсти волновой обработки при приготовлении тампонажного раствора.

Тампонажные материалы на основе минеральных вяжущих по своей природе и технологическим особенностям их применения не могут сами по себе обеспечить абсолютно надежного разобщения пластов нефтяных и газовых скважин. Следует учитывать ряд факторов, назовем основные из них. Это, во-первых, большое водосодержание, вызванное технологической необходимостью обеспечения их прокачиваемости, приводящее к таким нежелательным явлениям, как седиментационная неустойчивость и расслоение тампонажного раствора, ведущим в последующем к ухудшению структуры порового пространства, снижению прочности и повышению проницаемости тампонажного камня. Во-вторых, это контракционные явления, о которых говорилось выше и, наконец, это так называемое «зависание» тампонажного раствора, приводящее к снижению давления на флюидосодержащие пласты и влекущее за собой проникновение флюидов в твердеющей тампонажный раствор. Поэтому необходим набор технических средств и технологических приемов, позволяющих устранять, либо резко уменьшать отрицательное влияние названных факторов и процессов.

На экспериментальных установках совместно В.Н. Сониным и Л.Е. Украинским были проведены исследования по изучению влияния воздействия волнового поля на основные технологические характеристики тампонажного раствора и камня из него.

Влияние волнового поля на сроки схватывания цементных растворов

Если волновая обработка производится на стадии формирования коагуляционной структуры в системе цемент-вода, то имеет место тиксотропия, т.е. обратимое восстановление разрушенной структуры. Причем разрушение коагуляционной структуры, сформированной, как

правило, четырехкальциевыми алюмо-ферритами со слабыми структурными связями, приводит к появлению дополнительных центров кристаллизации и высаживанию на них двух - и трехкальциевых силикатов, формирующих основную, прочную и плотную структуру твердеющего камня. Если же волновое поле прикладывается на стадии образования кристаллизационной структуры, то имеет место необратимое разрушение возникающих кристаллизационных контактов и связей, что может привести к замедлению формирования разрушенной структуры, потере прочности и увеличению проницаемости камня.

Влияние волнового поля на прочность цементного камня Обработка цементных растворов всех марок ультразвуковыми колебаниями приводит к увеличению прочности цементного камня в среднем в два раза. Виброобработка тампонажных растворов гидровибрациями в течении различного времени, также показала, что прочность образцов из виброобработанного цементного раствора на 18-20% выше прочности образцов из цементного раствора, который прокачивали по замкнутому кругу 30 мин. без вибраций.

Влияние волнового поля на проницаемость цементного камня Снижение проницаемости цементного камня приготовленного из виброобработанного раствора объясняет более глубокой и полной гидратацией зерен исходного клинкера, что приводит к увеличению новообразований в единице объема и созданию мелкокристаллической структуры цементного камня.

Минимальная проницаемость, особенно для камня, твердевшего двое суток, приходится на тот же временной интервал порядка от 60 до 180 минут. Влияние волнового поля на сцепление цементного камня с породой При воздействии волнового поля разрушение глинистой корки происходит интенсивнее. Кроме того, в волновом поле, по-видимому, при сравнительно малых скоростях прокачивания цементного раствора в нем

разрушаются структурные связи и поток турбулизируется. Наблюдаются случаи, когда при сравнительно небольших скоростях потока (до 1,2 м/с) полностью удаляется глинистая корка и частицы цементного раствора проникают в поры песчаника, образуя с ним монолит (рис.5).

В условиях опыта сцепление не может быть выше г >5,5 МПа, что объясняется механической прочностью образцов искусственного песчаника.

Рисунок 5 ■ Зависимость т = /(у) при различных уровнях интенсивности вибраций

Можно сделать заключение, что при равных скоростях прокачивания сцепление увеличивается при повышении интенсивности вибрационного поля.

Показано, что для реальных условий при частоте волнового поля в форме гидроударных импульсов равной 175 гц амплитуда должна быть равной 0,4 МПа.

Четвертый раздел посвящен разработке технологий интенсификации процессов приготовления промывочных и тампонажных растворов с необходимыми технологическими свойствами на основе разработанных волновых генераторов, их расчету, компьютерному моделированию и экспериментальной проверке разработанных теоретических положений, позволяющих в ресурсосберегающем режиме решать поставленные задачи бурения скважин без осложнений при повышении качества разобщения пластов и герметизации заколонного пространства нефтяных и газовых скважин.

Важным для создания технологии интенсификации процессов приготовления и гомогенизации буровых технологических жидкостей являются проведенные эксперименты по активации сухих тампонажных материалов.

Целью исследования явилось изучение свойств водоцементных смесей (теста) и полученных из него образцов цементного камня, изготовленных из сухого порошка цемента, подвергнутого волновому воздействию (активации). В процессе работы определялись локальные и интегральные характеристики водоцементной среды (теста) и цементного камня в зависимости от продолжительности активации и параметров волнового воздействия.

Для активации сухого порошка пространственными нелинейными волнами использовалась специально созданная установка.

Методика проведения эксперимента заключалась в следующем. Активация рабочего тела производилась в рабочей камере, в которой возбуждались нелинейные волны от специального генератора. В качестве рабочего тела использовался цемент марки 500 со сроком хранения 2 года. Для исключения образовавшихся в результате длительного хранения крупных конгломератов был проведен просев через сито с размером ячейки 2x6 мм.

Обработка результатов проводилась с помощью специально разработанной компьютерной программы.

На основании проведенного экспериментального исследования свойств водоцементной среды, одной из составляющих которой является активированный нелинейными волнами сухой порошок цемента, и изготовленных из нее образцов цементного камня, можно сделать следующие выводы:

- Показано, что водоцементная смесь при увеличении времени волнового воздействия (активации) на сухой порошок цемента приобретает более высокую подвижность (текучесть). Так, например, активация порошка цемента в течение 5 минут приводит к увеличению подвижности водоцементной среды не менее чем на ~ 50%.

- Прочность образцов цементного камня, изготовленных из водоцементной среды на основе активированного сухого порошка цемента, возрастает. Так, активация порошка в течение 15 минут способствует увеличению прочности разрушения на сжатие образцов по истечении 28 суток выдержки в воде ~ на 34%.

- Увеличивается темп нарастания прочности разрушения на сжатие образцов цементного камня, изготовленных из водоцементной смеси на основе активированного порошка цемента. Так, например, активация порошка цемента в течение т=15 мин. позволяет образцам цементного камня по истечении 9 суток выдержки приобрести такую же прочность, какую

приобретают изготовленные из неактивированного цемента образцы за 28 суток.

При активации происходит изменение структуры проб водоцементной среды, при этом, в случае если время волнового воздействия

менее некоторого критического Ткр, увеличивается процентное число

фрагментов с меньшими размерами и уменьшается их средний диаметр. При

Т>Ткр имеет место коагуляция частиц в более крупные образования,

сопровождающаяся также ростом прочности на сжатие.

Разработан метод, алгоритм и программа обработки микрофотографий дисперсных сред.

Для реализации технологии приготовления промывочных и тампонажных растворов с введением различных химически активных и инертных добавок разработана полупромышленная установка (рис.6)

Глинопорощрк или цемент

Рисунок 6. - Полупромышленная установка для технологии приготовления промывочных и тампонажных растворов

Комплекс состоит из машины приготовления водного раствора вяжущего, волнового проточного генератора с телами обтекания и оборудования подачи различных добавок.

Перемешивание сухой смеси с водой осуществляется в штукатурной станции (1), после чего раствор, за счет давления создаваемого насосом штукатурной станции, подается в волновой генератор (2). Дополнительно в волновой диспергатор (при необходимости) осуществляется подача дозированного количества различных добавок.

Волновой диспергатор не требует дополнительной энергии и не содержит подвижных частей. Работа осуществляется за счет энергии давления, создаваемого насосом растворной станции, при этом потеря давления смеси, затрачиваемое на работу волнового диспергатора составляют не более 3 атм.

Процесс производства промывочного раствора и тампонажной суспензии является непрерывным, производительность в данном случае определяется характеристиками растворной станции или в любом другом случае - производительностью насосов.

При цементировании обсадных колонн проточный генератор с телами обтекания включается в обвязку перед осреднительной емкостью (рис.7, поз. 13).

Для герметизации заколонного пространства и обеспечения высокого качества разобщения продуктивных пластов, разработана технология создания волнового поля в зоне их разобщения генераторами вихревого типа, размещенными в башмаке обсадной колонны (рис.7, поз. 14).

Рисунок 7.

1 - цементировочная головка; 2 - осреднителъная емкость (УОП); 3 -цементировочный агрегат (ЦА-320), участвующий в пуске пробки; 4 -станция контроля (СКУПЦ-К); 5 - цементировочный агрегат (УНП 232040); 6 - цементировочные агрегаты (ЦА-320), участвующие в нагнетании тампонажного раствора и продавочной жидкости в скважину; 7 — цементировочный агрегат (УНУ 160-40), участвующий в затворении тампонажного раствора; 9 - смесительная машина (2СМН-20); 10 -гидроворонка; 11 - линия подачи жидкости затворения и продавочной жидкости; 12 - нагнетательная линия; 13 - проточный генератор с телами обтекания; 14 - башмак обсадной колонны с генератором вихревого типа

Этот вихревой генератор работает от энергии прокачиваемой через него жидкости во время промывки перед цементированием, покачивания и продавливания через него тампонажного раствора.

По предварительным расчетам волновое поле, создаваемое вихревым генератором воздействует на прокачиваемую через него жидкость и вмещающую среду примерно 50 м до и 50 м после генератора.

Таким образом, достигается смыв фильтрационной корки и обеспечение надежного сцепления тампонажного камня с породой.

Проведенное компьютерное моделирование и расчет гидродинамических показателей работы генератора, размещенного в башмаке обсадной колонны, показали хорошую сходимость с результатами экспериментальных исследований, проведенных на экспериментальных установках и на стендах НЦ НВМТ РАН.

Можно констатировать, что разработана технология приготовления, гомогенизации буровых технологических жидкостей и, тем самым, улучшения физико-механических свойств промывочных и тампонажных растворов с применением волновых генераторов, работающих в энергосберегающем кавитационном режиме.

Разработанная технология позволяет значительно улучшить качество работ по бурению основного ствола скважины и разобщению пластов с обеспечением герметизации заколонного пространства в наиболее ответственном месте - в зоне продуктивного пласта.

Основные выводы и рекомендации

1.На основании научного обобщения требований к технологическим характеристикам буровых и тампонажных растворов разработаны научные основы ресурсосберегающих технологий качественного их приготовления, гомогенизации и активации на основе созданных научным коллективом НЦ НВМТ РАН современных волновых генераторов третьего поколения.

2.В результате обзора существующих технологий, а также проведенных лабораторных, стендовых и натурных экспериментов доказано:

2.1. Кавитация, сопровождаемая многочисленными вторичными эффектами, является мощным интенсифицирующим фактором процессов диспергирования, эмульгирования, гомогенизации, растворения, очистки.

2.2. Гидромеханические, массообменные и другие процессы могут быть интенсифицированы при помощи кавитационного воздействия на обрабатываемую среду.

2.3. Кратно увеличивается скорость приготовления промывочной жидкости на основе глинопорошка и ее гомогенизация с различными малыми добавками, регулирующими технологические характеристики суспензии.

3. В результате теоретического моделирования течения жидкости в исследуемых волновых генераторах третьего поколения, проведены расчеты их гидродинамики, полей скоростей и гидродинамических сопротивлений. Обнаружен эффект аномального поведения сопротивления, вызванный перестройкой течения при возникновении кавитационной каверны. Показаны

механизмы возбуждения акустических колебаний. Приведены формулы для получения оценок частот и амплитуд излучения.

4. Проведенные эксперименты на лабораторных и полупромышленных установках показали:

4.1 при наложении волнового поля на движущийся цементный раствор прочность полученного из него камня возрастает на 18-20%, сроки начала схватывания уменьшаются на 15% и на 30-40% сокращается время от начала до конца схватывания;

4.2 при скорости потока 1,0-1,2 м/с, частоте 127-175 Гц и амплитуде 0,4 МПа достигается наилучшая степень сцепления образца цементного камня с породой, при наличии на ней глинистой корки.

5. Разработана технология качественного разобщения пластов, заключающаяся в подготовке необходимого по плотности тампонажного раствора (облегченный, утяжеленный) прокачкой его через наземный волновой проточный генератор с телами обтекания и последующей обработкой его волновым полем в процессе цементирования вихревым генератором, размещенным в башмаке обсадной колонны.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Ганиев С.Р. Теоретическое исследование механизма возбуждения акустических колебаний в вихревом кавитационном генераторе / Ганиев С.Р., Кузнецов Р.Ю. // НТЖ «Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов». - Уфа, 2009, № 4(78), С. 12-17

2. Получение устойчивой мелкодисперсной системы при приготовлении высокотехнологичных смазочных сред с применением волновой технологии [Текст] / O.P. Ганиев, С.Р. Ганиев, А.Г. Чукаев и др.

// Химия и технология топлив и масел,- 2009.- № 5,- С. 37-40

3. Беляев, Ю.А. Волновая технология получения эмульсии минеральное масло - вода [Текст] / Ю.А. Беляев, С.Р. Ганиев, А.Г. Чукаев // Химия и технология топлив и масел.- 2009,- № 4,- С. 38-40.

4. Пат. 2306972 Российская Федерация, МПК B01F 5/00. Устройство для гомогенизации и приготовления смесей [Текст] / Кормилицын В.И., Украинский JI.E., Ганиев С.Р.и др.; заявитель и патентообладатель Науч. центр нелинейной волновой механики и технологии РАН. - № 2005131989/15(035857); заявл. 17.10.2005; опубл. 02.02.2007, Бюл. № 27,- с.

5. Пат. 2310132 Российская Федерация, МПК F23K 5/12. Способ подготовки и сжигания жидкого топлива и устройство для его осуществления [Текст] / Андреев О.П., Фролов A.A., Ганиев С.Р., и др.; заявитель и патентообладатель Науч. центр нелинейной волновой механики и технологии РАН. - № 2006135183/06(038296); заявл. 05.10.2006; опубл. 10.05.2007, Бюл. №31.- с.

6. Пат. 2310133 Российская Федерация, МПК F23K 5/12. Энергетическая установка для сжигания жидкого топлива [Текст] / Андреев О.П., Фролов A.A., Ганиев С.Р. и др.; заявитель и патентообладатель Науч. центр нелинейной волновой механики и технологии РАН. - №2006135184/06(038297); заявл. 05.10.2006; опубл. 10.05.2007, Бюл. №31,-с.

7. Волновые технологии и машины: Волновые явления в технологиях [Текст]: /Авт.-сост. А.Д. Веденин, O.P. Ганиев, С.Р. Ганиев и др.; под ред. академика Р.Ф.Ганиева.-М.: Научно-издательский центр «Регулярная и хаотическая динамика», 2008.- 66 с.-(Нелинейная волновая механика).-В надзаг.: Рос. акад. наук, Науч. центр нелинейной волновой механики и технологии РАН.

8. Кормилицын, В.И. Моделирование гидродинамических характеристик потока жидкости в проточных каналах за

турбулизирующими решетками [Текст] / В.И. Кормилицын, С.Р. Ганиев, В.В. Чередов / / Материалы VII Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и CTpyax(NPNJ-2008), Алушта, 24-31 мая 2008 г. - С. 236-237.

9. Кормилицын, В.И. Моделирование гидродинамических и кавитационных характеристик потока жидкости в проточных каналах за турбулизирующими решетками [Текст] // В.И. Кормилицын, С.Р. Ганиев,

B.В. Чередов // Третья Международная конференция «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках», Москва, 21-23 октября 2008 г. -

C.45-46

10. О моделировании гидродинамики при волновом перемешивании жидкостей [Текст]: тезисы доклада / Р.Ф. Ганиев, В.Н. Фомин, А.Г. Чукаев и др. // Международная конференция « Потоки и структуры в жидкостях: Физика геосфер», Москва, 24-27 июня 2009 г.- С. 17-19

11. Ганиев, С.Р. Нетрадиционный подход к заканчиванию скважин на основе волновых технологий [Текст] / С.Р. Ганиев, Р.Ю. Кузнецов, Д.Р. Султанов // Международный научно-практический семинар «Повышение нефтеотдачи пластов и капитальный ремонт скважин», Самара, 26-31 мая 2000, С. 49-51.

12. Ганиев, Р.Ф. Анализ научно-технической литературы и нормативно-технических материалов [Текст] / Р.Ф. Ганиев, В.И. Кормилицын, JLE. Украинский, при участии С.Р. Ганиева // Ганиев, Р.Ф. Волновая технология приготовления альтернативных видов топлив и эффективность их сжигания [Текст] / Р.Ф. Ганиев, В.И. Кормилицын, JI.E. Украинский.- М.: Научно-издательский центр «Регулярная и хаотическая динамика», 2008 - С. 14-21.

13. Ганиев, Р.Ф. Эмульсии масло-вода [Текст] / Р.Ф. Ганиев, В.И. Кормилицын, Л.Е. Украинский, при участии С.Р. Ганиева // Ганиев,

Р.Ф. Волновая технология приготовления альтернативных видов топлив и эффективность их сжигания [Текст] / Р.Ф. Ганиев, В.И. Кормилицын, Л.Е. Украинский.- М.: Научно-издательский центр «Регулярная и хаотическая динамика», 2008,- С. 57-59.

14. Ганиев, Р.Ф. Водобитумные эмульсии [Текст] / Р.Ф. Ганиев, В.И. Кормилицын, Л.Е. Украинский, при участии С.Р. Ганиева // Ганиев, Р.Ф. Волновая технология приготовления альтернативных видов топлив и эффективность их сжигания [Текст] / Р.Ф. Ганиев, В.И. Кормилицын, Л.Е. Украинский.- М.: Научно-издательский центр «Регулярная и хаотическая динамика», 2008.- С. 60-62.

15. Ганиев, Р.Ф. Волновая технология в строительной промышленности [Текст] / Р.Ф. Ганиев, Л.Е. Украинский, при участии С.Р. Ганиева // Ганиев, Р.Ф. Нелинейная волновая механика и технологии [Текст] / Р.Ф. Ганиев, Л.Е. Украинский,- М.: Научно-издательский центр «Регулярная и хаотическая динамика», 2008.- С. 647-656.

Соискатель

С.Р. Ганиев

Подписано в печать 18.02.10 Тираж 100 экз Заказ 426 Отпечатано в ООО «Аваграфия» 628400, г. Сургут, ул. Профсоюзов, 31 офис 126 Тел.: (3462) 32-33-32

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Ганиев, Станислав Ривнерович

ВВЕДЕНИЕ

Строительство нефтяных и газовых скважин в нефтедобывающей отрасли России - одно из капиталоемких и наиболее ответственных мероприятий при разработке месторождений углеводородов. Поэтому снижение затрат на бурение, при сохранении качества и экологической безопасности буровых работ является актуальной задачей, позволяющей снизить объем капитальных вложений и в конечном счете повысить рентабельность отрасли.

В свою очередь, большая часть затрат на бурение зависит от буровых растворов. Роль бурового раствора при бурении столь велика, что специалисты его называют кровью скважины, поскольку он часто определяет принципиальную возможность бурения вообще. Например, в 60-х годах прошлого века в Прикаспийской впадине ни одна разведочная скважина не пробурена до проектной глубины, пока не разработали требуемые для тех сложных геолого-технических условий рецептуры буровых растворов. Однако геолого-технические условия бурения скважин постоянно меняются: растут глубины, расширяются регионы буровых работ на суше и на море. В последние годы резко возросли экологические требования к процессу бурения в целом, и к буровым растворам в частности, поскольку они содержат в своем составе до десятка необходимых, но опасных для окружающей среды компонентов (солей, щелочей, поверхностно-активных веществ (ПАВ) и др.)

Коллективом НЦ НВМТ РАН разработана теория - нелинейная волновая механика, - которая позволяет существенно изменить технику, технологию приготовления, гомогенизации и активации различных сухих смесей, добавок и растворов из них в энергосберегающем резонансном режиме с кратным ускорением всех указанных процессов.

Экспериментальному изучению этих процессов посвящена большая часть данной диссертационной работы с выходом на конкретные рекомендации по созданию соответствующих машин, аппаратов и технологий с их применением.

Цель работы

Основные задачи исследований

1. Обобщение технологических требований к буровым и пампонажным растворам.

2. Создание теоретических основ совершенствования технологий проготовления и активации буровых и тампонажных технологических жидкостей.

4. Создание устройств на волновых принципах и ресурсовсберегающих технологий с их использованием для интенсификации процессов приготовления промывочных и тампонажных растворов.

Научная новизна работы

2. Экспериментально установлено, что при механической активации водных растворов полимеров происходит механическое расщепление и механодеструкция их макромолекул, появление свободных радикалов и ионов, образование и рост реакционных цепей и др., что позволяет решить целый ряд технологических задач: уменьшить удельные расходы дорогостоящих компонентов, например, полимеров; получать новые порошкообразные и жидкофазные композиционные материалы с заранее заданными свойствами (вязкостными, структурно-механическими и т.д.); повысить уровень агрегативной устойчивости и стабильности структурно-механических свойств растворов; повысить плотность структуры и прочность цементного камня при затвердевании тампонажных систем при одновременном уменьшении расхода цемента и полимерных добавок; повысить степень герметизации заколонного пространства скважин; создавать тампонажные композиционные материалы с использованием промышленных отходов (хроматных шламов, зол ТЭЦ и т.п.); создавать жидкофазные буровые композиционные материалы с улучшенными трибологическими свойствами, применение которых позволяет уменьшить изно инструмента при высоких скоростях бурения.

Практическая ценность и реализация результатов работ

2. Разработанные технологические схемы введения различных химических добавок в сухие смеси для получения промывочных растворов с заранее заданными свойствами в условиях буровой.

3. Предложена технология приготовления и гомогенизации облегченных и утяжеленных тампонажных суспензий в условиях буровой, а также волновую обработку тампонажного раствора в зоне продуктивного пласта с целью недопущения перетоков и герметезации заколонного пространства нефтяных и газовых скважин.

1 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К БУРОВЫМ РАСТВОРАМ И ТАМПОНАЖНЫМ КОМПОЗИЦИЯМ

1.1. Современные требования к буровым растворам и их классификация

Буровым раствором называется среда, заполняющая ствол скважины в процессе ее бурения. Круговая циркуляция бурового раствора называется промывкой скважины. Главнейшей функцией промывки, для выполнения которой собственно она и была изначально внедрена в практику бурения, является удаление шлама с поверхности забоя скважины (очистка забоя) и вынос его на дневную поверхность. Без выполнения этой функции углубление скважины невозможно в принципе. По мере возрастания глубины скважин и соответственно усложнения условий бурения, буровые растворы и промывку стали наделять другими, тоже очень важными функциями [1-10]. Спектр функций, выполняемых буровыми растворами, постоянно расширяется. Сравнительно недавно появилась и стала бурно развиваться смазывающая и противоизносная функция буровых растворов [11-13)]. Развитие этого направления работ во многом подвигли те впечатляющие успехи, которые были достигнуты в области снижения трения и износа различных машин и механизмов, благодаря смазочным материалам [14-15]. Другим примером является функция бурового раствора по защите бурильного инструмента от коррозии и нейтрализации агрессивных жидкостей и газов, поступающих в скважину из разбуриваемых пластов [13,16-23].

С другой стороны, расширению функций буровых растворов во многом способствовало и развитие научной базы их создания - физической и коллоидной химии [24-27], а также бурное развитие химической и, особенно, микробиологической промышленности, предложивших новые материалы для создания и регулирования свойств буровых растворов [7, 23, 26, 28, 29]. Таким образом, в настоящее время буровые растворы являются средством, без которого успешная проводка скважины до проектной глубины немыслима [5, 7,10].

Нет сомнения в том, что тенденция расширения функций бурового раствора в процессе бурения скважины и соответственно возрастания его роли сохранится и в дальнейшем. Поэтому задача ученых, инженерно-технических работников заключается в том, чтобы следить за новыми материалами, поставляемыми промышленностью на рынок, и своевременно использовать их для создания новых рецептур буровых растворов, способных выполнять новые функции или более качественно и эффективно - известные.

Обобщая сказанное, сегодня можно сформулировать такое общее требование к промывке скважин и буровым растворам: они должны обеспечивать безопасную для недр, окружающей среды и работников проводку скважины до проектной глубины с высокими технико-экономическими показателями при минимальных затратах времени и средств. Из этого общего требования вытекает ряд частных [5-7]:

1. Промывка и буровые растворы должны качественно выполнять возложенные на них функции;

2. Не нарушать устойчивость стенки скважины;

3. Не снижать естественную проницаемость продуктивных горизонтов;

4. Сохранять свои свойства при низких и высоких температурах в стволе скважины, при поступлении в раствор выбуренной породы и пластовых флюидов;

5. Не вызывать коррозию оборудования и инструмента, работающих в среде бурового раствора;

6. Не создавать опасности для недр, окружающей среды и обслуживающего персонала;

7. Быть доступной и по возможности дешевой.

Функции, которые должны выполнять буровые растворы, и требования, предъявляемые к ним, в каждом конкретном случае зависят от геолого-технических условий бурения. Последние же чрезвычайно разнообразны и сильно изменяются даже по мере углубления одной и той же скважины. Поэтому практически невозможно создать и применять один универсальный тип бурового раствора.

В результате, в настоящее время в качестве бурового раствора применяется широкий спектр однофазных и многофазных систем. Для облегчения их выбора, приготовления и правильного применения необходима классификация буровых растворов.

Различными отечественными и зарубежными специалистами [5-7, 9] предложены различные классификации: по назначению, по минерализации, применяемым материалам и т.д. Каждая из них имеет свои преимущества и недостатки, но не является универсальной и общепринятой. Поскольку подавляющее большинство буровых растворов является дисперсными системами, мы полагаем более правильным при классификации исходить из их основы - дисперсионной среды и дисперсной фазы [24, 26, 27]. По виду дисперсионной среды их можно разделить на 5 классов:

1. Буровые растворы на водной основе;

2. Буровые растворы на неводной основе;

3. Эмульсионные буровые растворы;

4. Газообразные буровые растворы;

5. Аэрированные (газированные) буровые растворы

Далее классы можно разделить на группы по виду дисперсной фазы, а последние на подгруппы по другим признакам. Полный вариант данной классификации мы не приводим, поскольку она не является непосредственной целью работы.

Для выполнения технологических функций и удовлетворения предъявляемым требованиям физико-химические свойства буровых растворов необходимо регулировать. Это достигается вводом в них специальных веществ, называемых химическими реагентами, которые необходимо равномерно распределить во всем объеме приготовленного эурового раствора, желательно быстро и при сравнительно небольших затратах энергии.

1.1.1 Классификация химических реагентов

На сегодняшний день, по всему миру, для обработки буровых растворов применяются тысячи химических реагентов и их число с каждым цнем продолжает увеличиваться [5, 7, 9]. Это обусловлено, с одной стороны, гем, что специалисты ведут постоянный поиск более эффективных реагентов с новыми возможностями регулирования или более дешевых. С другой стороны, как отмечалось ранее, промышленность поставляет на рынок новые вещества, перспективные в качестве химических реагентов.

Чтобы правильно ориентироваться в этом многообразии реагентов, крайне важна их классификация. Их классифицируют [6, 7] по химическому составу и строению молекул, по солестойкости, по термостойкости, по назначению. Очевидно, последняя классификация для потребителей наиболее важная. Согласно этой классификации [6, 7], химические реагенты подразделяются по назначению на:

1.Регулирующие ионный состав и рН бурового раствора;

2. Бактерициды;

3. Связывающие ионы кальция;

4. Коагуляторы;

5. Понизители вязкости;

6. Понизители фильтрации;

7. Пеногасители;

8. Эмульгаторы;

9. Ингибиторы;

10. Предупреждающие кавернообразование;

11. Сохраняющие проницаемость продуктивных горизонтов;

12. Понизители твердости горных пород;

13. Смазочные добавки.

По мере появления новых химических реагентов с новыми свойствами эта классификация расширяется. Например, в последние годы появились:

14. Противоизносные добавки;

15. Загустители (увеличивающие вязкость бурового раствора);

16. Нейтрализаторы сероводорода.

Необходимо отметить, что приведенная классификация достаточно условна. Дело в том, что при вводе в буровой раствор любого химического реагента в той или иной мере изменяются почти все свойства раствора, что затрудняет отнесение реагента к определенному виду. В этом случае обычно реагент классифицируют по тому, какое свойство бурового раствора он изменяет в наибольшей степени. Например, если больше всего снижается показатель фильтрации бурового раствора, то реагент будет отнесен к понизителям фильтрации, хотя существенно могут изменяться и вязкость, и статическое напряжение сдвига (СНС). Учитывая это, в последние годы исследователи стали создавать и предлагать буровикам химические регенты комплексного действия, которые одновременно, иногда даже в равной степени, регулируют в желательном направлении несколько функций бурового раствора. Так, появились катионоактивные ПАВ, обладающие ингибирующим, смазывающим, противоизносным действием и способностью предупреждать загрязнение продуктивных горизонтов [28], нейтрализаторы сероводорода, обладающие смазывающим и противоизносным действием [13,16], ингибирующие, смазывающие, противоизносные и предупреждающие загрязнение продуктивных пластов реагенты [30, 31].

1.1.2 Базовые технологии приготовления буровых растворов

В начале для промывки скважин в основном применялись вода и глинистые растворы, приготавливаемые из местных комовых глин. Основным процессом приготовления глинистого раствора является диспергирование глины в воде, для чего применялись лопастные механические глиномешалки. Их рабочим органом являются прочные массивные лопасти, закрепленные на двух валах, вращающихся в противоположном направлении. Лопасти закреплены горизонтально в одной плоскости с минимальными зазорами, что обеспечивает при их вращении качественное перетирание комочков глины и смешивание с водой, предварительно налитой в бак глиномешалки.

В этой глиномешалке процесс приготовления бурового раствора вполне можно совмещать с его химической обработкой и утяжелением. В результате в ней получается высококачественный раствор, с любыми необходимыми для бурения скважины параметрами. Другим важным ее преимуществом является то, что она допускает использование самых разных по агрегатному состоянию материалов: твердых, жидких, порошкообразных, смерзшихся, скомкивавшихся, волокнистых. Однако у нее есть и большие недостатки: низкая производительность (менее 10 м /час), сравнительно высокие удельные энергозатраты (до 7 кВт час/м), трудоемкость приготовления, связанная с большими затратами физического труда, и невозможность хорошей гомогенизации бурового раствора.

Отечественный опыт приготовления буровых растворов показал, что с учетом выполнения большого объема бурения в районах с крайне суровыми климатическими условиями, специфики транспортирования, организации снабжения и хранения в необжитых регионах на открытом воздухе, для приготовления и химической обработки растворов целесообразно применять в основном порошкообразные материалы. Поэтому, начиная с 1950 г.г., буровые предприятия стали все больше снабжаться глинопорошками, порошкообразными химическими реагентами. Это послужило одним из стимулов для создания более совершенных механизмов приготовления и химической обработки буровых растворов. Взамен механической двухвальной глиномешалки появились роторные, гидравлические, эжекторные смесители для индивидуального и централизованного приготовления буровых растворов. [5, 7]. И.Н. Резниченко была разработана научная концепция приготовления, химической обработки и очистки глинистых растворов, основанная на «коэффициенте коллоидальности» [32]. Были разработаны блоки приготовления растворов типа БПР, в которых предусмотрено хранение порошкообразных материалов (глины, утяжелителей, химических реагентов) в металлических бункерах (силосах), приготовление различных типов буровых растворов в смесителе эжекторного типа. Процесс загрузки бункеров, подачи материалов в смеситель полностью механизирован за счет использования пневмотранспорта.

Наконец, в последние годы современные буровые установки комплектуются закрытыми циркуляционными системами блочной конструкции, типа ЦС, состоящими из стальных емкостей объемом 30-40м , в которых содержится буровой раствор и находится все оборудование для его химической обработки, очистки от шлама и газа. В состав ЦС может входить и блок БПР. Однако механические глиномешалки также продолжают успешно применяться на многих буровых предприятиях в основном для приготовления, хранения и ввода в буровой раствор слежавшихся, скомковавшихся химических реагентов в виде водного раствора, а также для приготовления неглинистых буровых растворов (меловых, торфощелочных, сапропелевых, асбогелевых и др.).

Конечно, современные технологии и технические средства для приготовления буровых растворов обеспечивают достаточно высокую производительность (до 100 м /час и выше), практически полную механизацию процесса, но, однако, не обеспечивают главного - достаточной степени диспергирования твердой фазы. В результате приготовленный буровой раствор приходится доводить до требуемой кондиции путем многократной циркуляции в системе приготовления, либо в циркуляционной системе буровой установки.

Свойства дисперсных систем, каковыми является подавляющее большинство буровых растворов, очень сильно зависят, от концентрации твердой фазы. В буровой практике [5-7] под ней понимают в основном массовую концентрацию, т.е. массу твердой фазы в единице объема раствора. В коллоидной химии [27] дополнительно вводят еще частичную концентрацию твердой (дисперсной) фазы - количество частиц в единице объема раствора. Так вот на самом деле свойства дисперсных систем зависят при прочих равных условиях от частичной концентрации дисперсной фазы. Применительно к буровым растворам, чем выше частичная концентрация твердой (дисперсной) фазы, тем выше вязкость и СНС, как правило, ниже показатель фильтрации и наоборот. Следовательно, регулирование частичной концентрации дисперсной фазы бурового раствора является одним из эффективных методов управления его важнейшими технологическими параметрами.

В свою очередь, частичную концентрацию можно регулировать изменением массовой концентрации дисперсной фазы, но в гораздо большей степени изменением дисперсности (размеров частиц) дисперсной фазы. Она возрастает с увеличением, как массовой концентрации дисперсной фазы, так и ее дисперсности. Увеличение дисперсности значительно эффективнее, поскольку оно не вызывает изменения плотности бурового раствора, не требует затрат дисперсной фазы, повышает седиментационную устойчивость и уменьшает его абразивность. К тому же оно интенсивно загущает буровой раствор (увеличивает вязкость и СНС), что позволяет увеличить выход раствора из единицы массы дисперсной фазы и уменьшить потребность в зем для бурения скважины. Например, в опытах Б.И. Мительмана по разрушению горных пород высоконапорной струей глинистого раствора во ЗНИИБТ наблюдалось двух- трехкратное увеличение его условной вязкости зри постоянной плотности. Это можно объяснить только увеличением дисперсности глины в растворе.

Однако, как следует из механики разрушения горных пород [33], увеличение дисперсности дисперсной фазы требует дополнительных затрат энергии на приготовление бурового раствора. Поэтому были разработаны шергонапряженные технологии приготовления буровых растворов. Л.Б.Хусидом [34] предложен струйный диспергатор, который показал этличные результаты при приготовлении инвертно-эмульсионных растворов: значительно возросла стабильность при меньших затратах углеводородной £азы и дорогостоящего эмульгатора. В качестве существенного его недостатка следует отметить необходимость громоздкого дополнительного оборудования - цементировочного агрегата или бурового насоса.

При воздействии на твердые материалы с высокой энергонапряженностью происходит не только их диспергирование, но и механическая активация, обусловленная разрывом наиболее прочных кристаллизационных связей. Вновь образовавшаяся поверхность в начальный момент обладает большой свободной энергией и потому чрезвычайно активна - настолько, что в материале происходят твердофазные химические реакции, которые в обычных условиях не наблюдаются. Для полезного практического использования этого явления автором был создан специальный аппарат - дезинтегратор, который проявил достаточно чрезвычайно высокую эффективность во многих производственных процессах. В настоящее время технологии, основанные на применении дезинтеграторов, называются дезинтеграторными технологиями.

Для приготовления буровых растворов и материалов для них, дезинтеграторная технология впервые была применена Б.С.Измухамбетовым и также весьма успешно [35]. Выход раствора их низкокачественных каолинито-гидрослюдистых глин (выход раствора не более 3,5 м /т) увеличился в 2 - 2,5 раза. При снижении массовой концентрации глины в растворе в 1,4 раза, показатель фильтрации снизился в 2,5 - 3 раза, а СНС увеличилось в 8 -12 раз. Однако дезинтегратор плохо приспособлен для приготовления буровых растворов, поскольку он создавался для обработки твердых сухих материалов. Кроме того, его рабочие органы - пальцы -соударяются с твердыми частицами со скоростью 100 и более м/с. Это приводит к интенсивному изнашиванию пальцев.

Изложенное свидетельствует о высокой эффективности и перспективности энергонапряженной технологии приготовления, но указанные недостатки не позволяют добиться массового внедрения буровых растворов. Кроме отмеченных, дополнительным преимуществом ее является возможность получения раствора требуемого качества с минимальным добавлением химических реагентов или иногда даже без них. Это значительно уменьшает экологическую опасность раствора, предупреждая загрязнение окружающей среды. Однако существующие варианты ее реализации нуждаются в совершенствовании. В частности, необходимо новое техническое средство для ее реализации, поскольку имеющиеся не лишены недостатков, о которых говорилось выше.

1.1.3 Особенности приготовления буровых растворов на неводной основе

Буровые растворы на неводной основе бывают с твердой фазой и без твердой фазы. Если растворы с твердой фазой (битум, известь, органофильный бентонит), то для их приготовления используется те же средства, что и для водных растворов. Сейчас все большее распространение получают растворы без твердой фазы - инвертные эмульсии. Стабильность эмульсии зависит от размера глобул воды. Установлено, что в качественной эмульсии свыше 90% глобул должны иметь размер не больше 50 мкм [7]. При таком размере доля дорогостоящей неводной фазы может быть минимальной, а доля воды максимальной.

Раствор, как правило, приготавливается в емкостях путем смешивания неводной фазы с водой при одновременном вводе эмульгатора с помощью цементировочных агрегатов. Для повышения дисперсности глобул воды используют струйный диспергатор [34]. Причем обработку раствора производят при избыточном давлении до 10 МПа в течение нескольких циклов. После этого измеряют технологические параметры раствора и доводят их до требуемой кондиции.

Таким образом, для приготовления инвертных эмульсий также необходимо энергосберегающие технологические средства, как и в случае приготовления буровых растворов на водной основе.

1.2 Современные требования к качеству тампонажного раствора и камня

Технологический процесс цементирования скважин определяется геологическими и техническими факторами. В настоящее время изучено значительное число факторов и выработаны определенные методы и приемы, которыми руководствуются при выборе материалов и технологии цементирования скважин [36].

Процесс цементирования скважин в значительной степени определяется физико-химическими свойствами тампонажных растворов. Знание и умение управлять такими свойствами тампонажных растворов, как сроки схватывания и загустевания, подвижность и седиментационная устойчивость являются залогом успешного проведения процесса цементирования и безаварийности работ.

При выборе тампонажного материала в первую очередь руководствуются геологическими условиями (температурой и давлением, наличием агрессивных вод, поглощением, проявлениями и т. п.). Если тампонажный раствор по своим реологическим свойствам приемлем для цементирования скважины, то можно задаваться прочими технологическими приемами, повышающими качество цементирования.

Сроки схватывания и время загустевания, реологические параметры, показатель фильтрации и т. п. зависят от температуры и давления, контакта с агрессивными водами, нефтью и газом.

Рецептура тампонажного раствора должна соответствовать конкретным условиям скважины. При этом тампонажный раствор должен оставаться подвижным в процессе цементирования и сразу же набирать структуру и переходить из раствора в цементный камень после окончания процесса.

Для каждого конкретного случая подбираются соответствующие тип цемента, рецептура раствора, а затем вырабатываются необходимые технологические мероприятия, которые должны обеспечить высококачественный процесс цементирования.

1.2.1 Современные представления о физико-химических процессах, происходящих при твердении тампонажных растворов и их механической активации

Тампонажные растворы, применяемые для цементирования нефтяных и газовых скважин, в горной промышленности, гидротехнических сооружениях, являются полиминеральными полидисперсными гетерогенными системами, дисперсионной средой которых чаще всего служит вода, а дисперсная фаза представлена различными смесями вяжущих, наполнителей и добавок.

В качестве тампонажных материалов в настоящее время широко применяются минеральные вяжущие вещества - порошкообразные продукты на основе гидравлических цементов, образующие при смешивании с водой или водными растворами солей, нерасслаивающиеся суспензии, способные к затвердеванию. В основе твердения таких суспензий лежит как правило реакция гидратации - реакция между частицами порошка (твердой фазы суспензии) и жидкостью затворения (жидкой фазой суспензии), приводящая к следующему:

• значительному увеличению объема твердой фазы за счет химической реакции присоединения к ней жидкой фазы;

• повышению дисперсности твердой фазы, сопровождающемуся многократным увеличением поверхности раздела фаз, а следовательно, к росту числа контактов между частицами твердой фазы, причем в местах контакта частицы сращиваются;

• образованию тонкокристаллической структуры тампонажного камня.

В качестве вяжущего обычно используется тампонажный цемент.

Тампонажный цемент представляет собой разновидность портландцемента -порошкообразного минерального неорганического вяжущего материала, состоящего главным образом из высокоосновных силикатов кальция. Портландцемент является продуктом высокотемпературного обжига и последующего помола смеси сырьевых компонентов, содержащих в строго определенном соотношении щелочной оксид - окись кальция (СаО) и кислотные оксиды - окись кремния (8Ю2), окись алюминия (А12Оз) и окись железа (обычно Ре2(Э3).

Указанные выше четыре главных оксида содержатся в портландцементном клинкере обычно в следующих количествах, %: 60-75 СаО; 17-25 8Ю2; 3-8 А1203; 2-6 Ре203.

Содержание других оксидов, попадающих в клинкер из сырья и являющихся примесями, колеблется в следующих пределах, %: 0,1-5,5 ]У^О; 0,5-1,3 К20 + Ка20; 0,3-1,0 803; 0,2-0,5 ТЮ2; 0,1-0,3 Р205.

Тампонажный цемент производят путем совместного помола портландцементного клинкера, следующего минерального состава: алит

ЗСаО • Si02, C3S) - 40-65%, белит (2СаО • Si02, C2S) - 12-35%, грехкальциевый алюминат (ЗСаО • А1203, СЗА) -до 15%, гетырехкальциевый аллюмоферрит (4СаО • А1203 • Fe203, C4AF)-10-25%, тшс дигидрат 3—5% , а также 10—15% минеральных добавок в виде плака, трепела, опоки, глины и т.д.

Высокая прочность цементного камня обусловлена главным образом наличием двух и трех кальциевых силикатов. Остальные минеральные фазы дементного камня играют второстепенную роль, а во многих случаях и этрицательное влияние на свойства тампонажного цемента. Поэтому лучшим цементом был бы такой, в котором содержались только двухкальциевый (|3-2Ca0*Si02) и трехкальциевый (3Ca0*Si02) силикаты. Однако в промышленном масштабе такой цемент получить очень трудно.

Из минералов-силикатов высокой гидравлической активностью этличается трехкальциевый силикат. Присутствие этого силиката эбеспечивает быстрый рост прочности цементного камня в ранний период гвердения (до одного месяца). Двухкальциевый силикат, напротив, является медленнотвердеющим минералом портландцемента, его присутствие повышает долговечность цементного камня, особенно, при высокой температуре. В условиях повышенных температур скорость гидратации цвухкальциевого силиката значительно возрастает, и цементы, с высоким содержанием двухкальциевого силиката быстро набирают прочность.

Считается, что в клинкере высококачественного портландцемента содержание минералов-силикатов должно в сумме составлять около 75 %, а содержание минералов-плавней (алюмината и аллюмоферита) около 25 %.

Согласно ГОСТ 25597-83 «Цементы тампонажные. Классификация» тампонажные цементы подразделяются по следующим основным признакам: • по вещественному составу - портландцемент (без добавок); портландцементы с минеральными добавками не более 20 %; портландцемента с минеральными добавками от 20 до 80 %; глиноземистые цементы; бесклинкерные цементы;

• по температуре применения - для низких температур (<15 °С); для нормальных температур (15-50 °С); для умеренных температур (50-100 °С); для повышенных температур (100-150°С); для высоких температур (150250 °С); для сверхвысоких температур (> 250 °С); для циклически меняющихся температур;

• по стойкости к агрессивному воздействию - стойкие к сульфатным средам; стойкие к кислым (углекислая, сероводородная) средам; стойкие к магнезиальным средам; стойкие к полиминеральным средам;

• по величине собственных объемных деформаций при твердении - без особых требований; безусадочные (величина линейной деформации после 3 сут твердения до 0,1 %); расширяющиеся (величина линейной деформации после 3 сут твердения более 0,1 %).

Промышленностью выпускаются следующие разновидности портландцемента, используемые в бурении:

• портландцемент общестроительного назначения марок 400, 500, 550 и

• высокопрочный портландцемент марок 600, 700 и 800, характеризующийся повышенным содержанием алита, более тонким измельчением и небольшим (до 5 %) содержанием активных минеральных добавок;

• быстротвердеющий портландцемент, характеризующийся быстрым нарастанием прочности в начальные сроки твердения (до 7 суток); цементы марок 400, 500,700;

• сульфатостойкий портландцемент, отличающийся строго нормированным составом клинкера (ограничивается содержанием алита и трехкальциевого алюмината) и повышенной коррозионной стойкостью и сульфатостойкостью;

• дорожный портландцемент с высоким содержанием алита и ограниченным расчетным содержанием трехкальциевого алюмината (до 10 %), как добавку содержит обычно доменный шлак;

• пластифицированный портландцемент, содержащий пластифицирующую добавку, в качестве которой используют поверхностно-активные вещества (понизители вязкости) в количестве 0,10,4 %; эти цементы образуют весьма подвижные суспензии, обладающие замедленным твердением;

• гидрофобный портландцемент с добавками, уменьшающими гидратацию цементных зерен в процессе длительного хранения; в качестве гидрофобизирующих добавок используются олеиновая кислота, асидол, мылонафт в количестве 0,1-0,3 %;

• песчанистый портландцемент, получаемый путем совместного помола кварцевого песка (25-40 %) с портландцементным клинкером и гипсом и характеризующийся термостойкостью в гидротермальных условиях, однако обладающий плохой седиментационной устойчивостью и замедленным твердением;

• шлакопортландцемент, содержащий, кроме клинкера и гипса, доменный гранулированный шлак в количестве 30-60 % и отличающийся повышенной коррозионной стойкостью к солям и сульфатам, замедленным схватыванием и твердением при незначительных температурах; при высоких температурах интенсивность структурообразования значительно возрастает;

• пуццолановый портландцемент с добавками осадочного (20-30 %) или вулканического (25-40 %) происхождения (опоки, трепелы, диатомиты, глиежи, т.е. глины естественные жженые, пемзы, вулканические шлаки, вулканические пеплы, туфы, порфироиды), обладает пониженной интенсивностью твердения при низких температурах и ускоренным твердением при высоких.

В качестве наполнителей в тампонажные растворы вводят песок, лесс, глины, трепел, перлит, золы, асбест, целлофан, руды и др.

Применение в цементировании находят как обычные портланд-цементные растворы из цемента для «холодных» (ХЦ), «горячих» (ГЦ) и высокотемпературных (ВЦ) скважин, так и растворы на основе шлака, белито-кремнеземистого цемента, известково-песчаных смесей, пластмасс и полимеров, природных минералов, горных пород [37-41]. В США при цементировании скважин в зоне вечной мерзлоты используются высокоалюминатные цементы (Ciment Fondu).

Указанный процесс представляет собой совокупность ряда сложных химических, физико-химических и физических явлений, поэтому несмотря на вековую историю развития науки о вяжущих, в результате которой достигнуты большие успехи в химии цемента, до сих пор нет общепризнанной количественной теории твердения минеральных вяжущих. Работы по этой проблеме проводились по четырем основным направлениям: изучение фазового и химического состава, твердеющих суспензий вяжущих и влияния на него наполнителей, органических и неорганических добавок, температуры и давления; исследование процессов образования гидратов, кинетики и химии гидратации; развитие представлений о природе сил, обуславливающих межчастичное взаимодействие новообразований и структурно-механические свойства твердеющей системы; исследования микроструктуры камня и математического описания ее моделей.

1.2.2 Стехиометрия продуктов гидратации портландцемента

Наиболее разработанным является вопрос о вещественном составе различных тампонажных материалов после их отвердевания. Хотя система вяжущие— вода никогда не достигает равновесного состояния, все же со временем основную массу цементного камня представляют стабильные кристаллические и аморфные образования определенного строения. Основными новообразованиями, определяющими конечные технологические свойства цементного камня, являются гидросиликаты кальция.

Гидратация C3S и (3-C2S в нормальных условиях приводит к образованию гидросиликатов кальция с изменяющимся в широких пределах составом и степенью закристаллизованности.

Они представлены гелеобразными гидросиликатами кальция состава С-S-H(II) с основностью 1,7—1,8 и состава C-S-H(I) с основностью 0,8—1,33 [42]. При гидратации C3S, кроме гидросиликатов, образуется гидроксид кальция Са(ОН)2, который легко карбонизируется с образованием кальцита СаС03. Состав, морфология и степень дисперсности новообразований изменяются в присутствии посторонних ионов в водном растворе. Повышение температуры приводит к ускорению процесса.

Гидратация (3-C2S протекает очень медленно. Основность образующихся гидросиликатов с течением времени изменяется от 1 до 1,65— 1,70 (CSH, C1;65SHX).

С увеличением температуры процесс гидратации C2S ускоряется, а основность новообразований повышается до 1,85—2,0 при 80—150 °С. Что касается их морфологии, то некоторые авторы считают, что первичные кристаллы CSH имеют игольчатую форму и концентрируются вокруг зерен исходного C2S, затем появляются и пластинчатые кристаллы гидросиликатов кальция. Исследованиями, проведенными с помощью сканирующего электронного микроскопа, не обнаружено наличия игольчатых кристаллов [42]. Продукты гидратации С2Б, начиная с двухчасовой выдержки и до 30-суточного возраста, представлены пластинчатыми кристаллами гидросиликатов кальция.

Кристаллы и кристаллические сростки низко- и высокоосновных гидросиликатов кальция различного состава общей формулы Сах [81у (О, ОН)г] • (Н20)т • [Са (ОН)2]п (где х, у, ъ > 0, т, п > 0) составляют до 85% массы затвердевшего материала. В этой массе могут присутствовать одновременно кристаллы гидросиликатов кальция самого различного размера в пределах 10" —10" см. [38,43,44)].

Рисунок 1.1 - Продукты гидратации С £ по истечении: 2 ч (а); 48 ч (б); 9 сут (в); В/Ц =0,

Наиболее быстро гидратирующимся минералами потрландцементного клинкера, определяющим сроки схватывания цемента и начальную прочность формирующегося камня, является трехкальциевый алюминат СЗА и четырехкальциевый аллюиоферрит. Затворение водой СЗА приводит к образованию вокруг исходных зерен рыхлой пластинчатой оболочки кристаллов гидроалюмината кальция. Через сутки степень гидратации СЗА составляет 70—80%. В нормальных условиях первичные продукты гидратации представлены метастабильным гексагональным пластинчатым соединением ЗСаО-А12Оз- (10—12) Н20. Предполагают, что оно представляет собой смесь двухкальциевого и четырехкальциевого гидроалюминатов в эквимолярном отношении. При пониженной влажности среды эта фаза теряет часть гидратной воды, содержание ее снижается до 6—8 НгО. Повышение концентрации Са(ОН)2 в водной среде приводит к постепенному переходу в С4АН13. Гидроалюминаты общего состава С4АН в зависимости от температуры и влажности среды могут иметь различное содержание воды:

С4АН19 — С4АН13 — С4АН11 — С4АН7.

Наиболее устойчив из всех гидроалюминатов кальция кубический СЗАН6, имеющий вид октаэдрических зерен.

При затворении СЗА водой под поляризационным микроскопом наблюдается мгновенное помутнение исходных частиц, а в межзерновом пространстве появляются мельчайшие гексагональные кристаллы гидроалюмината. Через сутки наблюдается их перекристаллизация в кубический СЗАН6. Повышение температур ускоряет этот переход. После автоклавной обработки в цементном камне из СЗА отсутствуют кристаллы гексагональных гидроалюминатов кальция, гидратированная масса сплошь состоит из кубических кристаллов СЗАН.

Алюмоферрит C4AF является твердым раствором C2F — CeA2F. Гидратация приводит к появлению трех- и четырехкаль-циевых гидроалюминатов и гидроферритов, которые при одновременном образовании дают твердые растворы с общими формулами ЗСаО.(А12Оз, Fe203)-6H20 и 4Са()-(А1203, Fe203) • 13Н20.

При длительном твердении в нормальных [42] условиях или в автоклаве при 120° С фазовый состав образцов из C4AF представлен в основном кубическими С3(А, F)Hö. Повышение температуры до 175 °С приводит к выделению свободных Са(ОН)2 и БегОз наряду с Сз(А, Р)Нб. В отличие от СЗА в продуктах гидратации С4АБ в большом количестве присутствует гелеобразная фаза.

Зелингманн и Грининг высказывали суждение, что твердые фазы при завершенном процессе гидратации в системе цемент - вода представляют собой гель гидросиликатов кальция, содержащий окись алюминия, сульфаты и щелочи, а также низкосульфатную форму гидросульфоалюминатов кальция, алюмосиликатные гидрогранаты и гидрат окиси кальция.

1.2.3 Физико-механические основы процессов формирования дисперсных структур вяжущих веществ

Несмотря на значительные успехи в области химии цемента, до настоящего времени остается много неясного в вопросах кинетики гидратации и особенно взаимосвязи явлений гидратации с формированием пространствнных структур в дисперсиях вяжущих и синтезом прочности материалов.

Одним из первых пытался объяснить природу твердения вяжущих на примере гипса ЛеШателье. В его работах были развиты имеющие и до сих пор научную ценность представления о растворении исходного вяжущего вещества с образованием в системе пересыщенных растворов, кристаллизации из них гидратных соединений, срастании и переплетении последних в пространственной структуре.

Второй, не менее важной вехой в создании схемы твердения цементов были воззрения Михаэлиса, который объяснял возникновение новых фаз и отвердевание дисперсий протеканием адсорбционных топохимических процессов и поглощением воды из гелевой структуры негидратированными зернами вяжущего.

В дальнейшем были совмещены рациональные стороны обеих теорий и разделил процесс твердения на три важнейших стадии:

1) подготовительная, начинающаяся с химической реакции между цементом и водой, приводящая к образованию новых соединений, и включающая растворение гидратов вплоть до насыщения раствора;

2) коллоидизации — топохимической реакции образования гидратов коллоидных размеров;

3) перекристаллизации через растворение мелких частиц и возникновения кристаллического сростка.

В дальнейшем многие исследователи [41, 43-51], иногда не ставившие целью работы решение теоретических проблем, получили большой экспериментальный материал, позволивший им развить отдельные аспекты указанных теорий или выдвинуть новые представления о механизме цементирующего действия. Среди них В.Н. Юнг, Кинд В.В, Окороков С.Д., Журавлев В.Ф., О. П. Мчедлов-Петросян, Н. А. Торопов, Грин, Пауэре, А. Е. Шейкин, П. А. Ребиндер, Е. Е. Сегалова, В. Б. Ратинов, М. И. Стрелков, А. В. Волженский, Ю.М. Бутт, М. М. Сычев, , Н. В. Михайлов, Т.В. Кузнецова и др.

А. Ф. Полак, разрабатывающий теоретические основы технологии бетона, показал [50], что обоснованное управление процессом кристаллизации, исключающим предварительные напряжения при срастании кристаллов, могло бы привести к увеличению прочности бетона в пять — восемь раз. Вместе с тем разработка методов управления свойствами дисперсных структур, независимо от их назначения, теснейшим образом зависит от глубокого понимания механизма гидратации и структурообразования.

1.2.4 Исследование процессов формирования дисперсной структуры цементного камня

При помощи реологических приборов И. Г. Гранковским [52] впервые получены полные кривые кинетики структурообразовання цементно-водных дисперсий в течение 28 суток от момента затворения, установлены четыре качественно отличающиеся стадии в процессе формирования дисперсной структуры цементного камня и на основании одновременно проведенных комплексных физико-химических исследований дана их научная трактовка в первом приближении.

На рис. 1.2 и 1.3 приведены результаты комплексного исследования процессов структурообразовання и гидратации. Кривая структурообразовання цементного камня с начала зарождения дисперсной структуры является интегральным выражением непрерывно происходящих и накладывающихся один на другой физико-химических процессов растворения, гидратации, коагуляции и др. При рассмотрении стадий структурообразовання можно говорить о преобладании одних процессов над другими; в аспекте структурообразовання и изменения степени гидратации картина представляется следующей.

Первая стадия — интенсивная гидратация. При большой степени гидратации наблюдается максимальная скорость процесса. Происходит коагуляция образовавшихся коллоидных частиц, и к концу стадии образуется пространственный каркас коагуляционной структуры, в которую входят покрытые гидратными новообразованиями частички клинкера. С этим согласуется рост электропроводности и рН, тепловыделение и наибольшее уплотнение системы, о котором можно судить по контракции, достигающей максимальной величины к концу первой стадии. Наблюдаемое явление контракции присуще коллоидным системам, уменьшение объема объясняется ориентацией структурных элементов и воды. Контракция происходит также за счет чисто стерического фактора при образовании пространственного каркаса коагуляционной структуры — малые частички и структурные элементы проникают в пространство между громоздкими агрегатами структуры, вследствие чего возрастает компактность системы. Максимум контракции к концу первой стадии подтверждает образование пространственной коагуляционной структуры.

Вторая стадия — развитие пространственной коагуляционной структуры. Процессы структурообразования и гидратации в начале стадии замедлены, степень гидратации незначительна, наблюдаются деструктивные явления. В результате гидролитического распада клинкерных минералов образуется большое количество свободных ионов, эти объясняется рост рН и электропроводности в начале. Замедление данного процесса во второй стадии можно связать с образованием вокруг цементных зерен оболочек из продуктов гидратации цементов, которые препятствуют дальнейшему поступлению воды к непрогидратированным частицам клинкера и поступлению свободных ионов. На кривой изменения степени гидратации в это время наблюдается плато, что также свидетельствует о замедлении этого процесса. Начинают проявляться деструктивные явления, что отражается на кривой структурообразования спадами модуля быстрой эластической деформации. Можно предположить, что деструкции происходят в связи с переходом гидратных новообразований в термодинамически более устойчивые формы. Эти переходы сопровождаются изменением поверхностной энергии и сил взаимодействия между ними.

Третья стадия — образование пространственного каркаса кристаллизационной структуры. Интенсивно идут процессы структурообразования, о чем свидетельствует рост модуля упругости и тепловыделения. цемент для «горячих» скважин, В/Ц — 0,5. I — IV — стадии структурообразования

Цемент Ново-Здолбуновского цементного завода, В/Ц = 0.3. Штриховыми линиями отмечены стадии структурообразования.

Коагуляционные контакты развиваются в кристаллизационные, значительно возрастает степень гидратации. Значение рН и электропроводность в этой стадии резко падают, что связано с уменьшением жидкой фазы и концентрации свободных ионов (в основном Са2+ и ОН"), вступающих в гидратные кристаллические соединения. Образование пространственного кристаллизационного каркаса сопровождается деструктивными явлениями и в ряде случаев заканчивается некоторым спадом модуля упругости в результате возникающих внутренних напряжений в кристаллизационной структуре.

Четвертая стадия — незначительный рост упругости и основное повышение прочности; скорость гидратации наименьшая.

Можно считать, что нарастание прочности происходит за счет субмикрокристаллической (гелевидной), медленно развивающейся структуры гидросиликатных материалов, обусловливающих неупругие свойства цементного камня. Происходит обрастание основного кристаллизационного каркаса и развитие новообразований внутри его с созданием внутренних напряжений, в результате которых наблюдаются деструктивные явления в виде спадов упругости и прочности.

И. Г. Гранковским [52] показано, что механические воздействия в зависимости от частоты, времени их приложения и длительности могут в широких пределах изменять период формирования структуры, т. е. управлять процессом структурообразования при твердении. Кроме того, найдены стадии структурообразования, на которых механическая и гидротермальная обработки дают наилучшие результаты.

1.2.5 Механическая активация тампонажных растворов

Механические воздействия (вибрация) были впервые применены в технологии производства бетона. Еще в конце 20-х годов в Советском Союзе для укладки и уплотнения бетонной смеси начали успешно использовать упругие механические колебания и в настоящее время по существу весь выпускаемый промышленностью бетон изготовляется по вибрационной технологии, в которой механические воздействия производятся в основном сразу после затворения, без учета фактора времени приложения механических воздействий.

В процессе вибрационной обработки бетона, как показано А. Е. Десовым, автором одного из основных трудов [53], посвященных вибрационной технологии бетона, увеличение прочности, плотности и водонепроницаемости бетона происходит за счет выделения пузырьков воздуха из него и компактного распределения частиц смеси в объеме. При этом А. Е. Десов обращает внимание на физико-химическую сторону явления, отмечает значение тиксотропного разжижения смеси при интенсивном вибрировании и перемешивании. При механическом воздействии каждая частица бетонной смеси начинает колебаться, вследствие чего на границе частиц с дисперсионной средой происходит тиксотропное разжижение смеси до состояния временной текучести. Эти изменения реологических свойств цементных растворов или бетонных смесей при воздействии механических колебаний позволяют добиться однородной смеси, а также увеличить степень гидратации цемента.

Для устранения недостатков технологии бетона предлагается проводить виброперемешивание бетонной смеси. При этом, основываясь на своих исследованиях, а также на работах Н. В. Михайлова [54], считает, что вибрирование на всех этапах коренным образом изменяет технологию бетона.

Проводились исследования влияние виброактивирования на структурообразование и пластичность цементного теста, а также на прочность цементного камня. Одновременно устанавливалась оптимальная продолжительность обработки, влияние колебаний разной частоты. Анализ процесса структурообразования показал, что цементное тесто с малым В/Ц пластифицируется виброактивацией, период формирования его увеличивается, а при более высоких В/Ц — сокращается.

Скорость нарастания пластической прочности в период упрочнения структуры цементного теста увеличивается. Предел прочности на одноосное сжатие образцов цементного камня, полученных из виброактивированного теста, оказался значительно более высоким, чем для образцов, приготовленных без активирования. Это обусловлено увеличением равномерности распределения воды между зернами цемента при низком В/Ц, приводящее к повышению пластичности и снижению прочности коагуляционной структуры, дополнительным механическим диспергированием зерен цемента и ускорению процессов гидратации за счет усиления процессов адсорбционного и химического диспергирования и постоянного отвода продуктов гидратации с поверхности вибрирующих зерен и обнажения свежих поверхностей для дальнейшей гидратации.

В работе [46] А. В. Ахвердов отмечает, что вибрационное воздействие позволяет максимально использовать вяжущие свойства цемента в результате увеличения дисперсности твердой фазы. При этом диспергирование может быть двояким: измельчение твердых поликристаллических частиц цемента, взвешенных в жидкой среде, и пептизация, т. е. разделение агрегатов слипшихся частиц (флокул). Известно, что пептизация в звуковом поле совершается сравнительно легко, поскольку силы, необходимые для разрушения флокул, невелики. Повышение дисперсности цементного теста в результате воздействий колебаний ведет к увеличению количества гидратированных частиц. В результате виброперемешивания бетонной смеси вначале происходит некоторое разрыхление структуры цементного теста и увеличение его объема.

Однако после прекращения вибраций происходит стяжение — контракция объема системы цемент — вода и образуется тонкодисперсная коагуляционная структура.

Когда сложилась коагуляционная структура цементного теста с тиксотропно обратимыми свойствами при повторном вибрировании или при механических воздействиях после определенной выдержки происходит ее уплотнение и образуется более прочная структура цементного камня.

С. В. Шестоперовым, предложившим способ повторного вибрирования, установлено, что это воздействие увеличивает прочность раствора или бетона до 50% и водонепроницаемость в полтора-два раза [55]. И. Н. Ахвердов в своих работах [46] показал; что при повторном вибрировании в начале схватывания цементного теста достигается наибольший прирост прочности бетона порядка 40—50%, а коэффициент фильтрации становится минимальным через 28 суток нормального хранения. О. М. Мчедловым-Петросяном с сотрудниками [56] было также показано, что воздействия, прикладываемые в оптимальное время, способствуют максимальному конечному упрочнению бетона и снижают вероятность образования дефектов в структуре затвердевшего цементного камня. При этом оптимальное время приложения механических воздействий находится в интервале между сроками схватывания цемента и совпадает с окончанием периода формирования структуры.

В работе В. Н. Шмигальского, А. А. Ананенко и И. А. Журавлевой [57] наилучшие прочностные характеристики получены в более ранние сроки формирования образцов по сравнению со сроками схватывания цементного теста. Если же наблюдать сроки схватывания непосредственного раствора, из которого формируются образцы, то время приложения механических воздействий целесообразно назначать после начала и не позднее конца схватывания, что не всегда согласуется с данными других авторов.

Было исследовано поведение минералогических компонентов портландцемента в условиях повторного вибрирования, проведено измерение прочности при сжатии, осуществлен термодифференциальный и термогравиметрический анализы минералогических компонентов портландцемента после повторного вибрирования.

Повторное вибрирование не изменяет состав гидратированных продуктов, но ускоряет гидратацию и твердение массы.

Почти во всех работах рекомендации по оптимальным срокам приложения механических воздействий к бетонным смесям связываются со сроками схватывания.

Указывалось, что наиболее целесообразно формовать смеси в период времени между началом и концом схватывания. Однако такая рекомендация, как показано в работе [57], чрезвычайно приближенна и неточна. Во-первых, этот период, удовлетворяющий требования стандарта даже у вяжущих, лежит в пределах 2—10 ч. Во-вторых, методика этих определений является условной, проводится на тесте определенной консистенции при В/Ц = 0,23— 0,32, что обычно не соответствует ни консистенции, ни В/Ц теста в растворах и бетонах.

В работе [57] исследовано время приложения повторного вибрирования в соответствии со сроками схватывания при нормальной консистенции.

В [57] рекомендуется производить повторное вибрирование до наступления сроков схватывания. Оптимально определено начало схватывания, а в [56] — интервал между началом и концом схватывания.

Заключение Диссертация по теме "Технология бурения и освоения скважин", Ганиев, Станислав Ривнерович

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1.На основании научного обобщения требований к технологическим :арактеристикам буровых и тампонажних растворов разработаны научные »сновы ресурсосберегающих технологий качественного их приготовления, омогенизации и активации на основе созданных научным коллективом НЦ ІВМТ РАН современных волновых генераторов третьего поколения.

2.В результате обзора существующих технологий, а также гроведенных лабораторных, стендовых и натурных экспериментов доказано:

2.1. Кавитация, сопровождаемая многочисленными вторичными іффектами, является мощным интенсифицирующим фактором процессов щспергирования, эмульгирования, гомогенизации, растворения, очистки.

2.2. Гидромеханические, массообменные и другие процессы могут >ыть интенсифицированы при помощи кавитационного воздействия на )брабатываемую среду.

2.3. Кратно увеличивается скорость приготовления промывочной кидкости на основе глинопорошка и ее гомогенизация с различными малыми добавками, регулирующими технологические характеристики суспензии.

3. В результате теоретического моделирования течения жидкости в ісследуемьіх волновых генераторах третьего поколения, проведены расчеты їх гидродинамики, полей скоростей и гидродинамических сопротивлений. Збнаружен эффект аномального поведения сопротивления, вызванный іерестройкой течения при возникновении кавитационной каверны. Показаны механизмы возбуждения акустических колебаний. Приведены формулы для юлучения оценок частот и амплитуд излучения.

4. Проведенные эксперименты на лабораторных и полупромышленных установках показали:

185

4.1 при наложении волнового поля на движущийся цементный раствор [рочность полученного из него камня возрастает на 18-20%, сроки начала хватывания уменьшаются на 15% и на 30-40% сокращается время от начала [О конца схватывания;

4.2 при скорости потока 1,0-1,2 м/с, частоте 127-175 Гц и амплитуде 1,4 МПа достигается наилучшая степень сцепления образца цементного :амня с породой, при наличии на ней глинистой корки.

5. Разработана технология качественного разобщения пластов, аключающаяся в подготовке необходимого по плотности тампонажного »аствора (облегченный, утяжеленный) прокачкой его через наземный юлновой проточный генератор с телами обтекания и последующей »бработкой его волновым полем в процессе цементирования вихревым енератором, размещенным в башмаке обсадной колонны.

186

Список работ, опубликованных по теме диссертации

Агабальянц, Э.Г. Промывочные жидкости для осложненных условий бурения [Текст] / Э.Г. Агабальянц. - М.: Недра, 1982-184с.: ил-Библиогр.: с. 182-183.

Городнов, В.Д. Физико-химические методы предупреждения осложнений в бурении [Текст] / В.Д. Городнов - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1984 - 229с.:ил - Библиогр.: с. 225-226. Митяев, А.Д. Опыт борьбы с обвалами при бурении глубоких скважин в мощных толщах осыпающихся глинистых пород в Башкирии [Текст] / А.Д. Митяев // Труды / УфНИИ. - Уфа, 1970. -Вып.№26.-С. 124-132.

Сеид-Рза, М. К. Предупреждение осложнений в кинетике буровых процессов [Текст] : монография / М.К. Сеид-Рза, Т.Г. Фараджев, P.A. Гасанов.- М. : Недра, 1991.-ISBN 5-247-02373-0.-Библиогр.: с.271-272.

Булатов, А.И. Справочник по промывке скважин [Текст] / А.И. Булатов, А.И. Пеньков, Ю.М. Проселков.- М.: Недра, 1984. - 317с.: ил - Библиогр.: с. 316-317.

Паус, К.Ф. Буровые растворы [Текст] / К.Ф. Паус. - М.: Недра, 1973. - 303с.

Рязанов, Я.А. Энциклопедия по буровым растворам [Текст] / Я.А. Рязанов. - Оренбург: Летопись, 2005. - 664с.- ISBN 5-88799-128-3 Ангелопуло, O.K. Буровые растворы для осложненных условий [Текст] / O.K. Ангелопуло, В.М. Подгорнов, В.П. Аваков - М.: Недра, 1988.- 135 е.: ил-Библиогр.: с. 132-133.

Грей, Дж.Р. Состав и свойства буровых агентов (промывочных жидкостей) [Текст] / Дж. Р. Грей, Г.С.Г. Дарли; пер. с англ. Д.Е. Столярова-М.: Недра, 1985.-509 е.: ил.

0. Пеньков, А.И. Проектирование свойств буровых растворов [Текст] / А.И. Пеньков, Абдель Рахман Рашид, Б.А. Расстегаев // Труды / ВНИИКРнефть- Краснодар, 1989. - Сер. «Промывка скважин».- С.4-11.

1. Смазочное действие сред в буровой технологии [Текст] монография / Г.В. Конесев, М.Р. Мавлютов, А.И. Спивак, P.A. Мулюков.- М. : Недра, 1993.- 272 с. :ил. .- ISBN 5-247-02614-4.-. Библиогр.: с. 269-270.

2. Конесев, Г.В. Противоизносные и смазочные свойства буровых растворов [Текст] / Г.В. Конесев, М.Р. Мавлютов, А.И. Спивак - М.: Недра, 1980. - 144с.-Библиогр.: с. 142-144.

3. A.c. 1127893 СССР, МПК5 С09К7/06. Смазочная противоизносная и сероводороднейтрализующая добавка к буровым растворам на водной основе [Текст] / Андресон Б.А., Бочкарев Г.П., Огаркова Э.И. и др.-№ 3562221, заявл. 03.03.1983, опубл. 07.12.1984, Бюл. открытий и изобретений. -№45. - С.72.

4. Костецкий, Б.И. Трение, смазка и износ в машинах [Текст] / Б.И. Костецкий-Киев: Техника, 1970.-395с.: ил.

5. Крагельский, И.В. Трение и износ [Текст] / И.В. Крагельский. - М.: Машиностроение, 1968.-480 е.: ил.

6. Огаркова, Э.И. Разработка методов нейтрализации сероводорода при бурении скважин [Текст]: дис. . канд. техн. наук :25.00.15 / Огаркова Э.И.- Уфа, 2002.- 189с.

7. Огаркова, Э.И. Самогенерирующиеся нейтрализаторы сероводорода на основе арилсульфиновых кислот [Текст] / Э.И. Огаркова, Б.А.

188

Андерсон, Р.В. Кунакова // V международный симпозиум по бурению скважин в осложненных условиях: (11-15 июня 2001г., СПб.).-СПб.-2001.-С. 42.

8. Ахмадеева, С.М. Использование пиритовых огарков для утяжеления буровых растворов и нейтрализации сероводородной агрессии [Текст] / С.М. Ахмадеева, Э.И. Огаркова, Б.А. Андерсон // Техника и технология бурения нефтяных скважин. - Уфа, 1981 - С. 40-46-(Труды БашНИПИнефть. Вып.61).

9. Огаркова, Э.И. Охрана окружающей среды при бурении скважин в условиях сероводородных проявлений [Текст] / Э.И. Огаркова, Б.А. Андерсон // Охрана окружающей среды при нефтедобыче и использование водных ресурсов- Уфа, 1984. - С. 32-37. - (Труды БашНИПИнефть. Вып.68).

0. Огаркова, Э.И. Нейтрализация сероводорода и борьба с сульфатредукцией при бурении скважин [Текст] / Э.И. Огаркова, Б.А. Андерсон // Научно-технический прогресс при строительстве скважин. - Уфа, 1987- С. 107-115. - (Труды БашНИПИнефть. Вып.76).

1. Исследование реагентов органической природы для нейтрализации сероводородных проявлений при бурении скважин [Текст] / Б.А. Андресон [и др. ] // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. - М.: ВНИИОЭНГ. - 2000.- №4.-С. 6-9.

2. Огаркова, Э.И. Самогенерирующиеся органические реагенты для нейтрализации сероводорода при бурении скважин [Текст] / Э.И. Огаркова, Б.А. Андерсон, В.Н. Умутбаев // Материалы II Конгресса нефтепромышленников России. - Уфа, 2000. - С.144-146.

3. Разработка и исследования производных арилсульфиновых кислот для нейтрализации сероводородных проявлений при бурении скважин [Текст] / Б.А. Андресон, Э.И. Огаркова, Р.В, Кунакаева [ и др.] // Совершенствование технологий добычи, бурения и подготовки нефти. - Уфа, 2000. - С.149-156 . - (Труды БашНИПИнефть. Вып. 103).

4. Шантарин, В. Д. Физико-химия дисперсных систем [Текст] : монография / В.Д. Шантарин, B.C. Войгенко- М.: Недра, 1990 - 315 е.: ил.- ISBN 5-247-02096-0.-Библиогр.: с. 306-312.

5. Рябченко, В. И. Управление свойствами буровых растворов [Текст] : монография / В.И. Рябченко - М. : Недра, 1990.- 231 е.: ил - ISBN 5247-01239-9 .- Библиогр.: с. 227-228.

6. Ахмадеев, Р.Г. Химия промывочных и тампонажных жидкостей [Текст]: учебник для студентов вузов, обучающихся по спец. «Бурение нефт. и газовых скважин» / Р.Г. Ахмадеев, B.C. Данюшевский.-М.: Недра, 1981.—152с.: ил -Библиогр.: с. 151.

7. Ребиндер, П.А. Успехи коллоидной химии [Текст] / П.А. Ребиндер. -М.: Наука, 1973.-362 с.

8. Катионоактивные ПАВ - эффективные ингибиторы в технологических процессах нефтегазовой промышленности [Текст] : монография / Н. А. Петров [и др.]; Под общ. ред. Ф.А. Агзамова.-СПб.: Недра, 2004 - 406 е.: ил -Библиогр. в конце глав-ISBN 5-94089-040-1

9. Ботвинкин, В.Н. Проведение исследований и разработка технологии производства экологически безопасных химических реагентов для обработки буровых растворов [Текст] / В.Н. Ботвинкин, Ю.Г. Безродный, В.Ю. Близнюков // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. - М.: ВНИИОЭНГ, 2000.- №2. - С.28-30.

Фатхутдинов, И.Х. Прогнозирование и предупреждение осложнений при бурении глубоких скважин в неустойчивых глинисто-аргиллитовых отложениях [Текст]: дис. : канд. техн. наук: 25.00.15 / Фатхутдинов И.Х.- Уфа, 1984.- 185 с. ил.- 61 04-5/2150 Андресон, Б. А. Буровые растворы на полигликолевой основе для бурения и заканчивания скважин [Текст] : монография / Б.А. Андресон, P.M. Гилязов.- Уфа, 2001- 87 с. : ил .- Библиогр.:с.81-85. Резниченко, И.Н. Приготовление, обработка и очистка буровых растворов [Текст] / И.Н. Резниченко. - М.: Недра, 1982.-230с. Спивак, А. И. Разрушение горных пород при бурении скважин [Текст] : учебник для вузов по направлению "Технология и разработка полезных ископаемых" спец. "Бурение нефтяных и газовых скважин" / А.И. Спивак, А.Н. Попов - М.: Недра, 1994 - 261 е.: ил.-(Высшее образование).- Библиогр.:с.255-256.

Хусид, Л.Б. Разработка методов гидравлической активации цементов и глин при приготовлении тампонажных и промывочных растворов на буровых: (на опыте бурения на Крайнем Севере) [Текст]: дис. . канд. техн. наук: 25.00.15 / Хусид Л.Б. - Уфа, 1974 - 179с. Измухамбетов, Б.С. Технология получения и применения порошкообразных материалов из промышленных отходов для строительства скважин на Казахстанской части Прикаспийской впадины [Текст].: дис. . докт. техн. наук: 05.15.10 / Измухамбетов Б.С. - Алматы, 1998. - 299с.

Логвиненко, C.B. Цементирование нефтяных и газовых скважин [Текст]: учеб. при профессиональном обучении рабочих на пр-ве / C.B. Логвиненко - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1986 - 280 с.:ил - (Профтехобразование).-Библиогр.: с. 278.

191

7. Липовецкий, А.Я. Цементные растворы в бурении скважин [Текст] / А .Я. Липовецкий, B.C. Данюшевский.- Л.: Гостоптехиздат, 1963.— 198 е.: ил.

8. Бутт, Ю.М. Технология цемента и других вяжущих материалов [Текст]: учебник для техникумов / Ю.М. Бутт - 3-е изд., перераб- М.: Промстройиздат, 1956 - 348 е.: ил.-Библиогр.: с. 244-245.

9. Булатов, А.И. Цементирование глубоких скважин [Текст] / А.И.Булатов.-М.: Недра,1964-290 е.: ил.-Библиогр.: с. 279-287.

0. Булатов, А.И. Тампонажные материалы и технология цементирования скважин [Текст]: учебник для техникумов / А.И.Булатов.-М.: Недра, 1971.-328 е.: ил.-Библиогр.: с. 327.

1. Технология вяжущих веществ [Текст]: учебник для хим.-технол. вузов и фак. / Ю. М. Бутт [и др.]; под. ред. Ю. М. Бута - М.: Высшая школа, 1965 - 619 с-Библиогр.: с. 612-615.

2. Булатов, А.И. Формирование и работа цементного камня в скважине [Текст]: монография/ А.И.Булатов.-М.: Недра, 1990-409 с.: ил.

3. Международный конгресс по химии цемента, 4-й (1960; Вашингтон) [Текст] : доклады : пер с англ. / под ред. H.A. Торопова [и др.].- М.: Стройиздат, 1964- 598 е.: ил.

4. Химия цементов [Текст]: сб. статей: сокращ. пер. с англ. / под ред. Х.Ф.У. Тейлора; под ред. Ю.М. Бута, С.А. Кржеминского- М.: Стройиздат, 1969.- 501 е.: ил.-Библиогр.: с. 469-499.

5. Бутг, Ю.М. Твердение вяжущих при повышенных температурах [Текст] / Ю.М. Бутт, Л.Н. Рашкович - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1965.-223 е.: ил.-Библиогр.: с. 209-221.

6. Ахвердов, И.Н. Высокопрочный бетон [Текст] : экспериментальные и теоретические исследования по технологии бетона / И.Н. Ахвердов-М.: Госстройиздат, 1961.-163 е.: ил.

Бабушкин, В.И. Термодинамика силикатов [Текст] /В .И. Бабушкин, Г.М. Матвеев, О.П. Мчедлов-Петросян.-М.: Госстройиздат, 1965205 с.

Волжанский, А. В. Минеральные вяжущие вещества [Текст] : технология и свойства / А. В. Волжанский, Ю. С. Бугров, В. С. Колокольников - М. : Стройиздат, 1966.-607 с.

Ратинов, В. Б. Современные воззрения на процессы твердения цемента и пути их интенсификации [Текст] / В.Б. Ратинов, А.Е. Шейкин.-М.: Стройиздат, 1965.

Полак, А. Ф. Твердение мономинеральных вяжущих веществ [Текст]: вопросы теории / А.Ф. Полак; под ред В.Б. Ратинова.- M.: Стройиздат, 1966.-208 с.-Библиогр.: с. 196-206. Шпынова, Л. Г. Микроструктура и прочность портланд-цементного камня [Текст].- Львов, Изд-во Львовского ун-та, 1966- 102 с.-Библиогр.: с. 97-101.

Гранковский, И.Г. Структурообразование в минеральных вяжущих системах [Текст] / И.Г. Гранковский - Киев: Наукова думка, 1984.299 е.: ил.- Библиогр.: с. 274-295.

Десов, А. Е. Вибрированный бетон [Текст] / А.Е. Десов.-М.: Госстройиздат, 1956.-229 е.: ил-Библиогр.: с. 222-227. Михайлов, Н.В. Основные принципы новой технологии бетона и железобетона [Текст] / Н.В. Михайлов.- М.: Госстройиздат, 1961. -208 с.

Шестоперов, C.B. Новые методы в области цементного бетона [Текст] / C.B. Шестоперов, А.И. Защепин - М.: Дориздат, 1949.-112 е.: ил.

Мчедлов-Петросян, О.П. Контроль твердения цементов и бетонов [Текст] / О.П. Мчедлов-Петросян, Г.А. Салоп, Я.Й. Сидорович - М.: Стройиздат, 1969 - 104 с.

Шмигальский, В. Н. Роль фактора времени при формировании бетонных смесей [Текст]: лекция для заоч. курсов ИТР при Новосиб. ин-те инженеров ж.д. транспорта / В.Н. Шмигальский, A.A. Ананенко, И.А. Журавлева - Новосибирск, Изд-во НИИЖТД967.-35 с.:ил.

А. с. 310877 СССР, МПК6 С04В7/38 Способ активации цементных растворов и бетонов [Текст] / Гранковский И. Г., Круглицкий Н. Н. -№ 1369982/29-33; заявл. 13.10.69; опубл. 09.08.71, Бюл. № 24. - 4 с. Физико-химическая механика тампонажных растворов [Текст] / H.H. Круглицкий, И.Г. Гранковский, Г.Р. Вагнер, В.П. Детков; под общ. ред. H.H. Круглицкого - Киев: Наукова думка, 1974.- 288 е.: ил - Библиогр.: с. 270-286.

Куннос, Г.Я. Вибрационная технология бетона [Текст] / Г .Я. Куннос- JL: Стройиздат, 1967- 168 е.: ил-Библиогр.: с. 162-166. А. с. 149399 СССР, МПК6 В28В1/08 Способ изготовления бетонных и железобетонных изделий [Текст] / Р.Ф. Иохансон- № 653090/29; заявл. 03.02.60; опубл. 01.01.62 - Бюл. изобретений № 15 - 1 с. Белов, Н.В. Кристаллохимия силикатов с крупными катионами [Текст] / Н.В. Белов.-М.: Изд-во АН СССР, 1961.- 68 с. Будников, П.П. Неорганические материалы [Текст] / П.П. Будников.-М.:Наука, 1968.-420 е.: ил.

Эйгелес, P.M. Разрушение горных пород при бурении [Текст] / P.M. Эйгелес.-М.: Недра, 1971.-231с.:ил.-Библиогр.: с. 224-229.

194

5. Шлихтинг, Г. Теория пограничного слоя [Текст] / Г. Шлиштинг; пер. с нем. Г.А. Вольперта; под ред. Л.Г. Лойцянского- М.: Наука, 1974.711 е.: ил.- Библиогр. в конце глав.

5. Schwabe, М. Uber Druckermittlung in der instationaren ebenen Stormung [Текст] / M. Schwabe // Ing.-Arch.- 1935.- №. 6.- C. 34-50.

7. Балабышко, A.M. Гидромеханическое диспергирование [Текст] : монография / A.M. Балабышко, А.И. Зимин, В.П. Ружицкий- М.: Наука, 1998.- 331 с.: ил.-Библиогр.:с.304-324.

8. Гольдштик, М.А. Вихревые потоки [Текст] / М.А. Гольдштик-Новосибирск: Наука, 1981.-366 е.-Библиогр.: с. 347-365.

9. Нигматулин, Р.И. Динамика многофазных сред [Текст]: в 2 ч. / Р.И. Нигматулин.- М.: Наука, 1987.

Ч. 1- 464 е.- Библиогр.: с. 445-456. Ч. 2.- 359 е.- Библиогр.: с. 337-348.

0. Костров, С.А. Автоколебательные режимы движения в системах с жидкостью и газом [Текст]: дис. . канд. техн. наук: 25.00.15 / Костров С.А.- М., 1988.

1. Полак, А.Ф. Кинетика гидратации и развитие кристаллизационных структур срастания мономинеральных вяжущих веществ типа полуводного гипса [Текст] / А.Ф. Полак // Коллоид, журн. - 1960. -Т.22.- № 6.

2. Полак, А.Ф. О механизме структурообразования при твердении мономинеральных вяжущих веществ [Текст] / А.Ф. Полак // Коллоид, журн - 1962. - Т.24.- № 2.

3. Ахвердов, И.Н. Влияние виброперемешивания бетонной смеси на формирование структуры цементного камня [Текст] / И.Н. Ахвердов // Труды / АН Латвийской ССР . Рига, 1961.- Вып. 6. «Исследования по бетону и железобетону».

Ахвердов, И.Н. Ультразвуковое вибрирование и технологии бетона [Текст] / И.Н. Ахвердов, М.А. Шалимо- М.: Стройиздат,1969.- 135 с.:ил-Библиогр.: с. 132-134.

Бережной, А.И. Активация тампонажного цемента путем обработки по магнитным полям [Текст] / А.И. Бережной, П.Я. Зельцер // Бурение: Науч. - техн.сб. / ВНИИОЭНГ.- 1967.- № 6. Бережной, А.И. Аппарат для обработки тампонажных цементов магнитным полем [Текст] / А.И. Бережной, П.Я. Зельцер // Разработка и эксплуатация нефтяных и газоконденсатных месторождений.: Науч.-техн.сб. /ВНИИЭГАЗПРОМ.-1969-№ 11. Штаерман, Ю.Я. Виброактивированный бетон [Текст] / Ю.Я. Штаерман. - Тбилиси, Сабчота Сакартвело,1963- 181 е.: ил-Библиогр.: с. 179-180.

Авдеев, Н.И. Влияние скорости подъема цементного раствора на качество цементирования скважин [Текст] / Н.И. Авдеев, А.Э. Бельянинович // Бурение: Науч.-техн.сб./ ВНИИОЭНГ.- 1966-Вып.6 - С.24-26.

Волков, Э.П. Исследование вращающейся цилиндрической гидродинамической решетки кавитаторов [Текст] / Э.П. Волков, В.И. Кормилицын, И.А. Шалобасов // Теплоэнергетика - 1991.-№5 - С.21-23.

Ганиев, Р.Ф. Нелинейная волновая механика и технологии [Текст] / Р.Ф. Ганиев, JI.E. Украинский- М.: Научно-издательский центр «Регулярная и хаотическая динамика», 2008 - 712 с.:ил - ISBN 978-5-93972-676-4.-Библиогр.: с. 679-695.

Колебательные явления в многофазных средах и их использование в технологии [Текст] : монография / Р.Ф.Ганиев, Н.И. Кобаско, В.В.Кулик и др.; Под ред. Р.Ф.Ганиева- Киев : "ТехнЬса", 1980.-141 с. :ил.-Библиогр.:с. 139-141. Проблемы и перспективы волновой технологии многофазных систем в нефтяной и газовой промышленности [Текст] монография / Р. Ф. Ганиев [и др.]. ; под ред. Р.Ф. Ганиева.- СПб. : Недра, 2008.- 185 с. : ил. - Библиогр.: с. 184-185.-ISBN 978-5-94089115-4

Ганиев, С.Р. Нетрадиционный подход к заканчиванию скважин на основе волновых технологий [Текст] / С.Р. Ганиев, Р.Ю. Кузнецов, Д.Р. Султанов // Международный научно-практический семинар «Повышение нефтеотдачи пластов и капитальный ремонт скважин» (26-31 мая 2000г., Самара).- Самара.- 2000.- С. 49-51. Ганиев, С.Р. Теоретическое исследование механизма возбуждения акустических колебаний в вихревом кавитационном генераторе [Текст] / С.Р. Ганиев, Р.Ю. Кузнецов // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. - Уфа, 2009.-№ 4(78).- С. 12-17. Пат. 2306972 Российская Федерация, МПК B01F 5/00. Устройство для гомогенизации и приготовления смесей [Текст] / Кормилицын В.И., Украинский JI.E., Ганиев С.Р.и др.; заявитель и патентообладатель Науч. центр нелинейной волновой механики и технологии РАН.- № 2005131989/15(035857); заявл. 17.10.2005; опубл. 27.09.2007, Бюл. № 27.- 12 е.: ил.

Заключение

169

- Увеличивается темп нарастания прочности разрушения на сжатие )бразцов цементного камня, изготовленных из водоцементной смеси на >снове активированного порошка цемента. Так, например, активация юрошка цемента в течение т=15 мин. позволяет образцам цементного камня ю истечении 9 суток выдержки приобрести такую же прочность, какую фиобретают изготовленные из неактивированного цемента образцы за 28 ;уток.

При активации происходит изменение структуры проб юдоцементной среды, при этом, в случае если время волнового воздействия ленее некоторого критического ткр, увеличивается процентное число фрагментов с меньшими размерами и уменьшается их средний диаметр. При :>ткр имеет место коагуляция частиц в более крупные образования, юпровождающаяся также ростом прочности на сжатие.

Разработан метод, алгоритм и программа обработки микрофотографий дисперсных сред.

Таким образом экспериментально доказано эффективность активации ;ухих смесей и возможность быстрого смешения с малыми добавками в шергосберегающем, резонансном режиме.

По этому обязательным, на наш взгляд, на первом этапе является подготовка сухих смесей для приготовления на их основе промывочных и гампонажных растворов с заранее заданными технологическими свойствами. Следующим этапом разрабатываемой технологии является интенсификация процессов соединения сухих смесей с водой.

170 d, мкм

-в- без активации, <Ф»=2012 мкм Рисунок 4.10

172

10 20 30 40 50 с1, мкм активация 10 минут, <с1>=11,7 мкм

Рисунок 4.12

173 ni/n ,y.

101-1-1-1-1-Г d, мим

-в- активация 15 минут, <с1>=18,4мш Рисунок 4.13

175 мкм т,мин

Рисунок 4.15

4.4 Интенсификация процессов приготовления промывочных и тампонажных растворов

Эксперименты были проведены на полупромышленной установке (рис.4.16) с применением проточного генератора с телами обтекания, рассчитанного на вязкие и высоковязкие суспензии.

176

Глтоддаїїш или цемент 1

Вода

Химические активные добавки

Инертные добавки "Готовый раствор

Рисунок 4.16 - Полупромышленная установка

Перемешивание сухой смеси с водой осуществляется в штукатурной станции (1), после чего раствор, за счет давления создаваемого насосом птукатурной станции, подается в волновой генератор (2). Дополнительно в золновой генератор (при необходимости) осуществляется подача дозированного количества различных добавок.

Сборочный чертеж одной из модификаций генератора приведен на же. 4.17.

В соответствии с выбранными экспериментальными методиками [8154] были исследованы зависимости технологических и физико-механических свойств различных суспензий от величины волнового воздействия. На основе компьютерного моделирования и теоретических расчетов в экспериментальных исследованиях использован проточный генератор с гелами обтекания.

178 беспечить условие, чтобы число Рейнольдса потока находилось в диапазоне )т 100 ООО до 800 ООО.

Твердение экспериментальных образцов строительного раствора фоходило в нормально-влажностных условиях при температуре 20±2°С и злажности 50±1%.

На рисунках 4.18-4.23 приведены результаты экспериментальных ^следований.

Проведенные исследования подтвердили работоспособность исследуемого генератора в сложных условиях при прокачивании через него гампонажного раствора.

В разработанной технологии такой генератор устанавливается на юверхности перед и после осреднительной емкости.

Подготовленный каим образом тампонажный раствор закачивается в жважину (рис.4.24). Это второй уровень разработки технологии антенсификации процессов приготовления и гомогенизации промывочных и гампонажных растворов.

Для обеспечения качества разобщения и герметизации заколонного зространства в наиболее ответственной зоне - продуктивном пласте, эазработан третий уровень технологии - создание волнового поля против 1родуктивного горизонта размещением в башмаке обсадной колонны золнового генератора вихревого типа, методика расчета которого приведена эаныпе, в разделе 2.

Этот генератор работает от энергии прокачиваемой через него жидкости во время промывки перед цементированием, во время покачивания я продавливания через него тампонажного раствора.

Р 5 Л 2 * 2 9

Дяшом «вдквчвшй 1ЧСЩ И*

Рисунок 4.18 - Зависимость плотности смеси от величины волнового воздействия.

Рисунок 4.19 - Зависимость подвижности смеси от величины волнового воздействия

180 исунок 4.21 - Зависимость рН водной вытяжки раствора от величины юлнового воздействия.

181

1 2 !• • * ! »

Дакм*маця> шфавр

Рисунок 4.22 - Зависимость прочности при сжатии раствора от величины волнового воздействия.

Рисунок 4.23 - Зависимость прочности на растяжение при изгибе оаствора от величины волнового воздействия.

183 идроворонка; 11 - линия подачи жидкости затворения и продавочной жидкости; 12 - нагнетательная линия; 13 - проточный генератор с челами обтекания; 14- багимак обсадной колонны с генератором вихревого чипа

Рисунок 4.24.

По предварительным расчетам волновое поле, создаваемое вихревым енератором воздействует на прокачиваемую через него жидкость и ¡мешающую среду примерно 50 м до и 50 м после генератора.

Таким образом, достигается смыв фильтрационной корки и )беспечение надежного сцепления тампонажного камня с породой, что юдтверждается экспериментальными исследованиями, описанными в >азделе 3.

Таким образом можно констатировать, что разработана трехуровневая технология приготовления, гомогенизации и , тем самым, улучшения технологических и физико-механических свойств промывочных и :ампонажных растворов с применением волновых генераторов, работающих $ энергосберегающем кавитационном режиме.

Разработанная технология позволяет значительно улучшить качество забот по бурению основного ствола скважины и разобщению пластов с герметизацией заколонного пространства против продуктивных горизонтов.

184

Информация о работе

Ганиев, Станислав Ривнерович
кандидата технических наук
Москва, 2010
ВАК 25.00.15

Диссертация

Исследование и разработка энергосберегающих технологий приготовления и гомогенизации буровых и тампонажных растворов, основанных на эффектах волновой механики - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы