Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Совершенствование фиброармированных тампонажных материалов

ВАК РФ 25.00.15, Технология бурения и освоения скважин

Автореферат диссертации по теме "Совершенствование фиброармированных тампонажных материалов"

На правах рукописи 0050ЬМ^ С_ гг^—^

ТИХОНОВ МИХАИЛ АЛЕКСЕЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ФИБРОАРМИРОВАННЫХ ТАМПОНАЖНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 25.00.15-Технология бурения п освоения скважин

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа-2013

005057729

Работа выполнена на кафедре «Бурение нефтяных и газовых скважин» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»

Научный руководитель: Агзамов Фарит Акрамович

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Аверьянов Алексей Петрович

доктор технических наук, научный центр нелинейной волновой механики и технологии РАН/ главный научный сотрудник (г. Москва)

Стрижнев Владимир Алексеевич

кандидат технических наук, ООО «Уфимский НТЦ»/ зам. директора - гл. инженер (г. Уфа)

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионально го образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет» (ТюмГНГУ)

Защита состоится « 23 » мая 2013 года в 14-30 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.289.04 при ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет». Автореферат разослан « 20 » апреля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Ямалиев Виль Узбекович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований. Крепление скважин остается важнейшим фактором, определяющим их качество, как инженерных сооружений. При этом значительная роль отводится тампонажним портландцементам, которые, несмотря на активные работы в области поиска новых материалов для цементирования обсадных колонн, будут еще длительное время оставаться основным материалом для крепления скважин.

Портландцементы, обладая несомненными преимуществами перед другими тампонажными материалами, имеют существенные недостатки, которые снижают качество крепи. Прежде всего, это относится к изоляционным свойствам цементного камня, на которые значительное влияние оказывают его деформационные характеристики.

Напряжения изгиба и растяжения, имеющие, как правило, импульсный характер, приводят к разрушению цементного камня за обсадной колонной и потере герметичности крепи скважин.

Один из аспектов совершенствования тампонажных материалов на порт-ландцементной основе предусматривает применение дисперсного армирования вяжущих, в конечном счете, повышающего сопротивляемость тампонажного камня динамическим нагрузкам за счет того, что цементная матрица обеспечивает сопротивление сжимающим напряжениям, а армирующий волокнистый компонент (фибра) - растягивающим и изгибающим напряжениям.

Пель работы. Повышение качества заканчивания скважин разработкой и применением фиброармированных тампонажных материалов.

Основные задачи исследований

1. Анализ качества крепления скважин и оценка роли динамических воздействий на герметичность и состояние крепи.

2. Анализ напряжений, возникающих в крепи скважины при работах внутри обсадных колонн.

3. Анализ механизма разрушения тампонажного камня из фиброармированных цементов.

4. Исследование влияния фибры на свойства тампонажного раствора и камня.

5. Модификация фибр и совершенствование тампонажных составові

\ і

6. Выпуск фиброармированных тампонажных материалов и их применение при креплении скважин.

Научная новизна

1. Обосновано и предложено объяснение механизма кратного усиления эффекта расширения в фиброармированных расширяющихся тампонажных материалах, обусловленного передачей кристаллизационного давления расширяющей добавки на структурный каркас, образованный фиброй.

2. Впервые оценены продольная и поперечная деформации цементного камня при разрушении на сжатие, а также возможная деформация цементного кольца в скважине в зависимости от расстояния от точки приложения нагрузки, и показана возможность сохранения целостности крепи во время проведения технологических операций внутри обсадной колонны, путем соответствующей модификации цементов с помощью фибры.

3. Обоснована методология и реализовано обеспечение исследований деформационных и изоляционных свойств фиброармированных тампонажных материалов, позволяющие исследовать продольные и поперечные деформации цементного камня при испытании на сжатие, удельную ударную вязкость его разрушения и сопротивляемость газопрорыву.

Основные защищаемые положения

1 Методика и результаты расчета напряжений, возникающих при динамических и ударных нагрузках в обсадной колонне и цементном кольце.

2 Результаты экспериментальных исследований рецептур тампонажных смесей на основе портландцемента с различными видами фибры.

3 Составы фиброармированных тампонажных материалов с технологическими свойствами, регулируемыми в широких пределах.

4 Технология получения, испытания и применения фиброармированных тампонажных материалов и растворов, а также результаты их промышленных испытаний.

Методы исследований и решения поставленных в работе задач основаны на обобщении опыта исследований и практического применения фиброармированных цементов в области крепления скважин, промышленного и гражданского строительства, результатах теоретических, лабораторных, стендовых и промысловых исследований с использованием современных методик, приборов и

установок на базе Уфимского государственного нефтяного технического университета, рационального планирования экспериментов и математических методов обработки полученных результатов.

Практическая ценность

1. Усовершенствованные рецептуры фиброармированных тампонажных материалов изготовлены по дезинтеграторной технологии в ООО «Цементные Технологии» и использованы при креплении разведочных скважин на Комсомольском, Ячиндинском, Ичеминском и Северо-Туколандском месторождениях.

2. Результаты исследования фиброармированных тампонажных материалов и методы их испытаний используются в УГНТУ при изучении дисциплин «Заканчивание и крепление скважин в сложных горно-геологических условиях» и «Регулирование свойств тампонажных материалов для цементирования скважин в осложненных условиях» магистрантами, обучающимися по направлению подготовки «Нефтегазовое дело».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- 57, 59 - 63 конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ в 2007 - 2012 годах;

- Международном научном семинаре-совещании «Актуальные проблемы предупреждения чрезвычайных ситуаций техногенного характера при разработке углеводородных месторождений Северо-Восточного Каспия», г. Атырау, 2010 г;

- Международной научно-технической конференции «Повышение качества строительства скважин», посвященной памяти Мавлютова М.Р.,Уфа, 20 Юг;

- Международных научных семинарах «Развитие инновационной инфраструктуры университета», Уфа, 2011, 2012гг;

- Научно-технической конференции «Проблемы прочности и долговечности бетона и железобетона», посвященной 100-летию со дня рождения проф. Полака А.Ф., Уфа, БашНИИстрой, 2011.

- VI Международной научно-технической конференции «Китайско-российское научно-техническое сотрудничество. Наука - образование - инновации». КНР, Санья, 2011.

- Всероссийской научно-технической конференции «Инновационные решения в строительстве скважин», посвященной 100-летию акад. Трофимука А.А., Уфа, 2011.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 22 научные работы, в том числе 4 статьи, 16 материалов и тезисов конференций и 3 патента. В изданиях, рекомендованных ВАК для публикации материалов докторских и кандидатских диссертаций, опубликовано 3 работы.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов и рекомендаций. Работа изложена на 174 страницах, включает 49 рисунков, 42 таблицы и 2 приложения. Список использованной литературы состоит из 143 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы диссертационной работы и представлены ее основные положения.

В первой главе дан анализ состояния проблемы, рассмотрены факторы, снижающие герметичность крепи скважины, проанализирован опыт получения и применения тампонажных цементов, модифицированных различными видами фибры.

Качество крепления скважин всегда было «болевой» точкой для всех нефтедобывающих предприятий. При этом основным и практически единственным тампонирующим материалом при строительстве скважин остается портландцемент, камень из которого обладает неудовлетворительными деформационными характеристиками и низкой удароустойчивостью. Именно эти свойства камня при работах, проводимых в обсаженных скважинах, приводят к ухудшению контакта цементного камня с обсадной колонной, растрескиванию и разрушению цементного камня за обсадной колонной, приводя к потере герметичности крепи скважины.

Проведенный нами анализ результатов перфорации по Комсомольском}' месторождению, по скважинам, пробуренным в 2008-2010 годах, показал, что после перфорации в 75 % скважин имелось поступление посторонней воды в зону перфорации по заколонному пространству. При этом в 62 % скважин гер-

метичность крепи скважины нарушилась ниже интервала перфорации, а в 44 % выше интервала перфорации.

Для повышения герметичности крепи скважин, подвергающейся действию динамических нагрузок, наиболее целесообразно использовать дисперсное армирование, при котором волокна фибры, равномерно распределяясь в цементной матрице, могут воспринимать усилия любой направленности, предупреждая образование и развитие трещин в цементном камне.

Для тампонажных материалов идея композиционирования цементных систем волокнистыми материалами (фиброй) не нова, и к настоящему времени имеется определенный опыт использования различных видов фибры в тампонажных материалах. В частности, при разработке армированных цементов для этой цели применялся асбест, базальтовое, хлопковое и другие волокна: АО КазНИГРИ (Финогенов И.С.), СредАзНИПИнефть (Баш С.М.), МИНХ и ГП им. И.М.Губкина (Бакшутов B.C., Тангалычев Е.С.), ВНИИКрнефть (Булатов А.И., Новохатский Д.Ф., Паринов П.Ф. и др.), ВолгоУралНИПИгаз (Цици-мушкин П.Ф.), УГТУ, Ухта (Михеев М.А. и др.), ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ» (Воеводкин В.Л. и др.), ОАО «Сургутнефтегаз» (Лушпеева О.А и др.), УГНТУ (Агзамов Ф.А. и др.), СредАзНИИгаз (Екшибаров В.С) и др.

Наиболее детальные исследования армированных цементов были проведены во ВНИИКрнефть (ныне НПО «Бурение»), где под руководством А.И.Булатова и Д.Ф.Новохатского были обоснованы принципы получения и применения дисперсно-армированных тампонажных цементов, обоснованы типы армирующих добавок и был организован выпуск высокотемпературных армированных цементов с использованием асбеста седьмого сорта и базальтового волокна.

К сожалению, несмотря на очевидную перспективность, работы в данном направлении в последние 25 лет практически не проводились, а тампонажные материалы не выпускались.

Во второй главе проанализированы нагрузки, действующие на крепь скважины, даны их аналитические оценки, рассмотрен механизм разрушения фиброармированных цементов.

Поскольку нагрузки в обсадных колоннах различного назначения существенно отличаются между собой, нами выделены интервалы с максимальной

интенсивностью тех или иных напряжений, действующих на крепь в период последующей, после цементирования, «жизни» скважины, для того, чтобы учесть это при выборе тампонажных материалов. При этом показано, что наиболее уязвимыми участками крепи скважин являются нижние части обсадных колонн, подвергающиеся, в основном, растягивающим напряжениям при углублении скважины и перфорации.

При анализе поведения крепи скважин при технологических операциях нами совместно с Самсыкиным A.B., Губайдуллиным И.М., Санниковым Р.Х. была сделана попытка рассмотрения теоретических аспектов данной задачи.

Возникающие напряжения и деформации системы «обсадная колонна -цементный камень» были изучены с учетом динамических воздействий, создающихся внутри скважины.

В частности, было показано, что для цилиндра с малой толщиной стенки окружные напряжения распределены по толщине почти равномерно, а радиальные напряжения малы по сравнению с окружными напряжениями в той же мере, в какой толщина стенки трубы мала по сравнению с ее радиусом.

Для такой же системы, но с бесконечно большой толщиной стенок радиальное напряжение в любой точке равно окружному, и при отсутствии осевых напряжений все точки системы находятся в состоянии чистого сдвига, способного вызвать разрушение системы срезом. Далее напряжения имеют обратно пропорциональную зависимость от квадрата радиуса.

Для указанного случая было рассмотрено применение метода конечных элементов (МКЭ). При этом в качестве примера представлено решение задачи в случае проведения кумулятивной перфорации в скважине диаметром 216 мм; модуль Юнга принят 2,07-105МПа; коэффициент Пуассона 0,2; внутреннее давление при перфорации 200 МПа. При рассмотренных значениях напряжений расчетная радиальная деформация обсадной колонны и цементного кольца достигает 3 мм, что говорит о вероятном разрушении цементного кольца.

Выполненный совместно с Самсыкиным A.B. расчет напряжений, возникающих в цементном камне при различных операциях, показал, что во многих случаях они превышают предел прочности цементного камня на растяжение.

Для исключения межпластовых перетоков более важным является сохранение цементного кольца выше и ниже интервалов перфорации. Значения

напряжений и деформаций существенно снижаются при удалении от места возникновения удара, и на расстоянии 3-5 м деформация цементного кольца составляет 0,3-0,7 мм. Это означает, что даже при проведении многих операций внутри обсадной колонны, при соответствующей модификации цементов, можно добиться сохранения целостности крепи скважины.

Анализ показал, что процесс разрушения неармированных материалов существенно отличается от разрушения фиброармированного цементного камня. Он является более сложным и включает процессы микротрещинообразования в цементной матрице; ее растрескивание и нарушение сплошности матрицы с передачей нагрузки в разрушаемом сечении на фибру; разрыв отдельных волокон и перераспределение усилий на другие волокна, пересекающие разрушаемое сечение; частичную, а затем полную, потерю связи компонентов цементного камня, с последующим разрушением межфазной границы, и потерей несущей способности армирующих волокон.

В процессе разрушения камня фибра может либо разрываться, либо выдергиваться из цементной матрицы, а возможный механизм определяется характеристиками фибры, силами сцепления (адгезии) фибры и матрицы, а также способом закрепления (анкеровки) фибры в матрице. Максимальная реализация прочностных свойств фибры происходит при ее разрыве в процессе приложения нагрузки. Разрушение материала по механизму «вырыва» фибры из матрицы приводит к недостаточному использованию прочностных возможностей фибры, а при слабой адгезии или незначительной длине анкеровки фибра оказывает незначительное влияние на свойства композитного материала.

Анализ основных свойств тампонажных растворов и камня показал, что многие из них могут значительно улучшиться при фиброармировании. К таким характеристикам относятся: седиментационная устойчивость раствора; контракция и объемные изменения при твердении; структура порового пространства, прочность, проницаемость, удароустойчивость и упругие свойства цементного камня.

Для армирования тампонажных материалов эффективными могут быть практически все виды высокомодульных фибр на основе базальтовых, асбестовых и стеклянных волокон с модулем упругость Е/= (70...250)'103 МПа, а также углеродных, карбоновых волокон (Е/= (200...700)'103 МПа), обеспечивающие

упрочнение армированного материала за счет высокого соотношения модулей упругости фибры и матрицы Е/Ес~7..30. В то же время, высокомодульные фибры имеют небольшую деформацию до разрушения.

Для фиброармирования цементов не следует исключать и использование низкомодульных фибр, имеющих модуль упругости примерно на два порядка ниже, чем высокомодульные фибры. Фибры данной группы не оказывают существенного положительного влияния на статическую прочность получаемого композитного материала, но могут повысить седиментационную устойчивость тампонажных растворов, снизить усадку и повысить ударную вязкость камня. Кроме того, они имеют значительно большую деформацию до разрушения, чем высокомодульные фибры.

В то же время, по данным Паринова П.Ф., волокна стеклянной фибры легко разрушаются при приготовлении сухой тампонажной смеси и раствора. Наибольший опыт применения для модификации тампонажных материалов имели асбест и базальтовая фибра. Поскольку в обществе сложилось негативное отношение к асбесту, то наиболее приемлемым видом модифицирующей армирующей добавки для тампонажных материалов следует признать базальтовую фибру, которая обладает достаточной прочностью на растяжение, высоким модулем упругости, небольшим удлинением при разрыве и высокой адгезией с цементной матрицей.

В третьей главе описаны приборы, методы и средства, использованные для исследований.

Физико-механические свойства цементов, раствора, камня определялись на стандартных приборах согласно ГОСТ 1581-96 и ГОСТ 310.1.96. Объемные деформации определялись в кольцевых формах. Для определения контракции использован «Контрактометр ВМ-7.7». При проведении реологических исследований использовался вискозиметр OFITE Модель 900.

Для качественного и количественного анализа фазового состава материалов и продуктов твердения использовался рентгеновский дифрактометр ДРОН-7, а для получения изображений с пространственным разрешением 3 нм растровый электронный микроскоп JEOL JSM-6610LV.

При изучении механизма разрушения цементного камня использовался пресс МИЦИС, на котором были установлены датчики, позволяющие фиксиро-

вать деформацию в трех плоскостях при изменении осевой нагрузки. Прочность цементного камня на растяжение определялась на образцах-восьмерках.

Стойкость цементного камня ударным нагрузкам оценивалась по ударной вязкости, определяемой на вертикальном динамическом копре.

Изучение герметизирующей способности цементного камня проводилось на специальной установке, разработанной и изготовленной на кафедре бурения УГНТУ совместно с аспиранткой Халитовой Э.Г.

При разработке технологии приготовления тампонажных композиций использована дезинтеграторная обработка, основы применения которой при приготовлении тампонажных материалов были заложены Каримовым Н.Х., Даню-шевским B.C. и другими исследователями.

При проведении экспериментов использовалась методика их математического планирования. Анализ экспериментальных данных выполнялся с использованием пакета статистического анализа «STATGRAPHICS» с помощью процедур построения одно- и многофакторных моделей.

В четвертой главе приводятся результаты исследований и разработки фиброармированных тампонажных материалов, их физико-механические свойства, рассмотрен механизм разрушения, структура и фазовый состав сформированного цементного камня, кинетика расширения и структурообразования.

Влияние фибры на свойства тампонажных растворов. Результаты обработки экспериментальных данных по исследованию водоотдачи фиброармированных тампонажных растворов и полученные уравнения регрессии показали, что фибра, как базальтовая, так и полиамидная, оказывает менее существенное влияние на водоотдачу тампонажных растворов, по сравнению с реагентами структурообразователями и понизителями водоотдачи.

В то же время, влияние фибры на седиментационную устойчивость более существенное. В таблице 1 приведены некоторые результаты оценки влияния фибры на водоотделение тампонажного раствора, имеющего В/Ц=0,55 (взято для большей наглядности), в вертикальных и наклонных цилиндрах.

Снижение водоотделения тампонажных растворов из фиброармированных цементов, по нашему мнению, связано с образованием более прочной армированной структуры в цементном растворе, удерживающей свободную воду.

Таблица 1 - Влияние фибры на водоотделение тампонажных растворов

% добавки Водоотделение мл в цилиндрах с различным наклоном, град.

Базальт, /=3мм Базальт, 1=6 мм Асбест Техно-цел 2500 Стекло-нит Полиамид Базальт + полиамид

0° 45° 0° 45° 0° 45° 0° 45° 0° 45° 0° 45° 0° 45°

0 10 12 10 12 10 12 10 12 10 12 10 12 10 12

0,05 9 10 9 10 8 10 8 9 9 9 8 11 9 И

0,1 8 10 8 9 7 10 7 9 8 10 7 10 8 10

0,5 5 8 5 7 5 7 4 6 6 9 6 9 7 9

Практически для всех видов фибр характерно слабое проявление эффекта при концентрациях менее 0,05%, что связано с ее недостаточностью для создания водоудерживающей структуры.

При определении реологических параметров цементов, содержащих более 0,1% базальтовой фибры длиной 3 мм, на ротационных вискозиметрах возникают проблемы, связанные со сбоем в работе приборов, из-за забивания зазоров между цилиндрами. Аналогичные результаты были получены и при исследовании других видов фибр.

Поскольку реологические параметры имеют большое значение при разработке гидравлической программы цементирования, было предложено предварительно проводить отсев фибры из цемента перед проведением реологических испытаний. Пример нескольких сравнительных замеров реологических параметров тампонажных растворов на основе ПЦТ-1-100 при В/Ц = 0,5, с добавкой базальтовой фибры с длиной волокон 3 мм, проведенный по данной методике, представлен в таблице 2.

Таблица 2 - Влияние фибры на реологические свойства тампонажных растворов_____

Добав- Схема подготовки Пласт. дне СНСч/з СНСч/з

ка цемента вязкость т0,, Па Юсек, Па Юмин, Па

фибры, т), мПасек

%

0 - 58 И 8 11

0,2 Без отсева фибры 0,3 61 60 60

0,2 После отсева фибры 59 12 7 12

0,5 -«- 57 13 9 10

1,0 -«- 60 11 10 10

Мы полагаем, что предлагаемая схема измерения реологических параметров фиброармированных цементов является вполне оправданной, поскольку в реальных условиях влияние фибры на величину гидравлических сопротивлений не окажется существенным из-за сравнительно больших размеров кольцевого пространства по сравнению с зазорами вискозиметра. Однако некоторые проблемы могут возникнуть при цементировании боковых стволов, когда зазоры между хвостовиком и предыдущей колонной составляют 3-4 мм.

В таблице 3 для иллюстрации приведены некоторые результаты, показывающие несущественное влияние фибры на контракцию при твердении фиброармированных цементов.

Таблица 3 - Влияние фибры на контракцию цементов при твердении

Фибра Кол-во, % В/Ц Контракция, см3/% после твердения

Зч 7ч 12 ч

Базальтовая 0 0,4 3,1/0,62 5,1/10,2 6,8/1,36

0,1 0,4 3,5 / 0,7 5,1 /1,02 6,9/1,38

0,5 0,4 4,1/0,82 5,6/1,12 7,0/1,4

Базальтовая 0 0,5 2,1/0,42 3,7/0,74 5,7/1,14

од 0,5 2,5 / 0,5 3,5/0,7 5,7/1,14

0,5 0,5 2,4 /0,48 4,1/0,82 5,8 1,16

Полиакриловая 0,2 0,5 3,8 / 0,76 4,4/0,88 5,5/1,0

0,5 0,5 5,6/1,12 5,3/1,06 5,7/1,14

Это объясняется тем, что контракция связана с процессами гидратации и твердения цементов, а роль фибры на эти процессы незначительна, что подтверждается отсутствием ее влияния (при концентрациях до 1,0%) на сроки схватывания цементных растворов. Однако, несмотря на незначительное внешнее влияние фибры на контракцию, фибра должна снизить внутренние напряжения при контракции и компенсировать усадку цементного камня.

Влияние фибры на свойства цементного камня. Представленные в таблице 4 данные показывают, что в возрасте двух недель, при всех видах нагружения, влияние фибры на прочность камня не существенно. При меньших сроках твердения роль фибры наиболее заметна при испытании прочности камня на растяжение, в меньшей степени для прочности на изгиб и сжатие.

Увеличение длины волокон фибры повышает прочность камня, особенно значительно на растяжение и изгиб (таблица 5).

Таблица 4 - Влияние фибры на прочность цементного камня

% фибры 1=6 мм Предел прочности на сжатие, МПа в возрасте, сут. Предел прочности на изгиб, МПа в возрасте, сут. Предел прочности на растяжение, МПа в возрасте, сут.

2 7 14 2 7 14 2 7 14

0 24,5 33,8 37,5 4,04 5,67 6,68 0,65 0,91 1,27

0,1 24,6 32,9 38,4 4,32 5,83 7,00 0,82 0,93 1,35

0,5 25,7 36,9 39,6 5,31 6,17 7,43 1,06 1,24 1,42

1,0 26,7 37,7 38,9 4,94 6,31 7,71 1,20 1,35 1,44

2,0 27,4 37,7 40,8 5,65 6,41 7,89 1,29 1,48 1,52

Таблица 5 - Влияние длины волокон фибры на предел прочности цементного камня

Длина волокон, мм Предел прочности, МПа в возрасте, сут.

на сжатие на изгиб на растяжение

2 7 14 2 7 14 2 7 14

3 мм 30,51 37,4 44,37 4,3 5,1 6,1 1,1 1,3 1,4

6 мм 31,54 38,07 45,56 5,7 7,1 8,2 1,4 1,6 1,7

Армирование цементов повышает деформацию цементного камня до его разрушения (см. таблицу 6), причем с увеличением концентрации фибры деформационная способность камня возрастает, хотя с повышением сроков твердения деформация уменьшается из-за упрочнения цементной матрицы.

Таблица 6 - Влияние фибры на деформацию цементного камня при разрушении

Концентрация фибры Деформация, мм при разрушении на сжатие

Продольная Поперечная

Возраст 2 сут.

0 0,81 0,24

0,5 1,15 0,38

2,0 1,39 0,49

Возраст 7 сут.

0 0,57 0,21

0,5 0,84 0,26

2,0 1,21 0,35

Возраст 14 сут.

0 0,49 0,17

0,5 0,60 0,25

2,0 1,03 0,30

Снижение водоцементного отношения, продолжительность твердения (до трех суток), ввод различных видов фибры положительно сказывается на ударо-

устойчивости цементного камня. Облегчающие добавки (глина и диатомит) снижают удароустойчивость. Влияние фибры на удароустойчивость (удельную ударную вязкость разрушения) цементного камня показано в таблице 7.

Таблица 7 - Влияние фибры на удельную ударную вязкость разрушения портландцементного камня___

Тип фибры, добавляемой в портландцемент Удельная уда рная вязкость разрушения, дж/см3

В/Ц = 0,4 В/Ц =0,5 В/Ц = 0,6

Концентрация с шбры, %

0,1 0,2 0,5 | 0,1 | 0,2 0,5 0,1 0,2 0,5

Время твердения 7 сут.

Базальтовая 0,11 0,14 0,18 0,09 0,12 0,15 0,07 0,09 0,13

Полиамидная 0,12 0,17 0,20 0,09 0,11 0,13 0,08 0,10 0,12

Базальт.+полиамид. 0,12 0,14 0,16 0,09 0,12 0,15 0,07 0,10 0,13

Портландцемент 0,06 0,05 0,04

Время твердения 28 сут.

Базальтовая 0,14 0,16 0,18 0,12 0,15 0,17 0,09 0,12 0,14

Полиамидная 0,13 0,16 0,20 0,10 0,13 0,15 0,08 0,11 0,14

Базальт.+полиамид. 0,11 0,14 0,16 0,08 0,12 0,15 0,07 0,11 0,14

Портландцемент 0,08 0,06 0,04

Из таблицы видно, что фибра в 2-4 раза повышает рассматриваемый показатель по сравнению с таким же показателем для неармированного портландцемента.

Проницаемость цементного камня, полученного из фиброармированных цементов, снижается, начиная с самых малых концентраций, хотя при концентрациях до 0,01%, влияние фибры на проницаемость цементного камня не столь заметно, как при больших концентрациях (таблица 8).

Таблица 8 - Влияние фибры на проницаемость цементного камня

Время твердения, сут. Проницаемость, мД при содержании фибры в цементе, %

0 0,01 0,05 0,1 0,5

2 190,5 152,2 131,2 110,1 77,1

7 11,5 9,6 6,7 4,7 3,3

15 4,4 4,2 4,2 3,5 2,9

Добавка фибры повышает сопротивление цементного камня газопрорыву даже после внешних воздействий, имитирующих работу инструмента при углублении скважины. Эксперименты, проведенные на специальной установке, показали, что скорость нарастания давления при прохождении газа при перепаде давления 1,75 МПа/м через цементный камень, полученный из раствора с

В/Ц=0,5, через 24 часа ОЗЦ составила для камня из чистого цемента 0,6 МПа/м'ч, для камня из цемента с добавкой 0,5% базальтовой фибры - 0,48 МПа/м'ч, а для камня из цемента с добавкой 1,0% фибры - 0,40 МПа/м'ч.

Когда через 24 часа зацементированная колонна подверглась механическому воздействию, скорость нарастания давления при миграции газа, при тех же условиях составила: 1,12; 0,48 и 0,41 МПа/м'ч, соответственно. После повторного воздействия через следующие 24 часа скорость нарастания давления при миграции газа, при тех же условиях составила: 1,3; 0,47 и 0,39 МПа/м'ч, соответственно.

Указанные факты свидетельствуют о том, что добавка базальтовой фибры в цемент снизила, как начальную газопроницаемость модели крепи скважины, так и ее уязвимость к механическим воздействиям.

Поскольку в настоящее время одним из активно разрабатываемых направлений является применение расширяющихся цементов, важным является оценка влияния фибры на расширяющиеся цементы. При этом использованы расширяющие добавки на основе оксида кальция в количестве 10%, а концентрации фибры изменялась от 0 до 1,0%. Результаты экспериментов с портландце-ментным раствором (В/Ц = 0,5), приведенные в таблице 9, показали существенное влияние фибры на коэффициент линейного расширения (КЛР) цементного камня.

Таблица 9 - Влияние фибры на расширение цементного камня при твердении_

Вид фибры и длина Кол-во, % КЛР,%

- - 0,36

Базальтовая, 3 мм 0,05 0,72

Базальтовая, 3 мм од 1,08

Базальтовая, 3 мм 0,2 1,33

Базальтовая, 3 мм 0,5 1,69

Базальтовая, 3 мм 1,0 1,93

Полиамидная, 6 мм 0,4 0,36

Полиамидная, 6 мм 0,5 1,60

В то же время, изначально предполагалось, что поскольку фибра не участвует в реакциях гидратации цементов, она не должна влиять на процессы расширения, хотя результаты экспериментов показывают обратное. Мы полагаем, что суть возможного механизма состоит в следующем.

При твердении цементов протекает два конкурирующих процесса. Первый - усадка, вызываемая контракцией, второй - расширение, связанное с увеличением объема образовавшегося цементного геля по сравнению с объемом цемента. Суммарный результат этих процессов, разнонаправленно влияющих на изменение объема твердеющей системы, и будет определять усадку или расширение при твердении цементов.

Поскольку добавка фибры снижает усадку, то даже при отсутствии расширяющих добавок в цементе, можно получить некоторое увеличение объема цементного камня при твердении.

При использовании расширяющих добавок в фиброармированных цементах величина расширения должна быть выше за счет того, что кристаллизационное давление расширяющей добавки будет передаваться на каркас, образованный фиброй.

Экспериментальная проверка указанных предположений (таблица 10) подтвердила высказанную гипотезу. Возможно, этим объясняется полученное нами повышение сцепления армированных цементов с ограничивающими поверхностями.

Таблица 10 - Влияние фибры на объемные изменения при твердении цементов

Вяжущее В/Ц КЛР, %, при твердении цементов с добавкой фибры, % (2=3 мм)

0 0,05 0,1 0,2 0,5 1,0

Твердение в воде

ПЦ 0,5 0,12 0,15 0,18 0,21 0,27 0,31

Твердение на воздухе

ПЦ 0,5 -0,2 -0,05 0,01 0,05 0,05 0,06

Следует отметить еще один аспект данного вопроса. Расширяющиеся добавки всегда были малоэффективны в облегченных цементах, имеющих большую пористость из-за высокого начального водосодержания (В/Ц). Добавка фибры приведет к формированию фибрового каркаса, на который будут опираться кристаллы гидратирующей расширяющей добавки. Таким образом, появляется возможность получения облегченных расширяющихся цементов.

Исследование взаимодействия фибры с цементной матрицей, проведенное с помощью электронного микроскопа, показало, что базальтовая фибра имеет высокую адгезию с цементной матрицей (рисунок 1) и показывает плот-

ную область контакта между фиброй и матрицей, без зазоров и каких-либо трещин. Сходный с базальтовой фиброй характер взаимодействия имеет фибра из стекловолокна, однако она подвергается щелочной коррозии в поровой жидкости цементного камня.

Другие виды фибры, в частности, полиамидная (рисунок 2), характеризуются низкой адгезией и легко вырываются из матрицы.

Рисунок 1 - Образец портландце- Рисунок 2 - Образец портландце-ментного камня с базальтовой ментного камня с полиамидной фиброй (при увеличении х5000) фиброй (при увеличении х200)

В пятой главе приводятся перспективные направления в модификации фибры и совершенствовании технологической оснастки для обсадных колонн, технологии получения и применения фиброармированных расширяющихся тампонажных материалов. Приведены результаты промышленных испытаний.

Результаты ранее проведенных работ и наших исследований убедительно подтвердили эффективность применения фибры, которая, независимо от типа, возрастает с повышением ее количества в тампонажном материале и увеличением длины волокон. Однако опыт промышленного применения показал, что при этом появляются трудности при приготовлении тампонажных растворов.

В этой связи нами разработан способ получения тампонажного материала (патент РФ №2396300), суть которого состоит в том, что волокна модифицирующей добавки свернуты в клубки, которые, разворачиваясь, принимают форму нитей в процессе закачки и продавки цементного раствора.

Другая модификация фибры отличается от описанной выше тем, что волокна модифицирующей добавки имеют на концах утолщения гантельного типа, или элементы, усиливающие анкеровку фибры в цементной матрице.

Для повышения упруго-деформационных характеристик тампонажного

материала обосновано получение фиброармированных цементов, содержащих одновременно низкомодульные и высокомодульные фибры. При этом низкомодульная фибра увеличивает сопротивление ударным нагрузкам, а высокомодульная увеличивает прочность цементного камня на растяжение и изгиб.

Ранее отмечалось, что положение обсадной колонны в скважине может существенно повлиять на качество ее крепления. В этой связи, перспективными являются центраторы с изменяемой геометрией, обладающие минимальным диаметром при спуске колонны в скважину и максимальным диаметром после ее спуска. Нами предложено и запатентовано две конструкции таких типов центраторов.

Результаты исследований, приведенных в диссертационной работе, стали основой выпуска опытных партий армированных тампонажных материалов. Данный этап работы выполнялся совместно со специалистами ООО «Цементные Технологии», на промышленном производстве которого проводился выпуск материалов.

Внедрение разработок проводилось при креплении разведочных скважин на Комсомольском, Ичеминском, Ячидинском, Северо-Туколандском месторождениях. Для кондукторов и промежуточных колонн использован тампонаж-ный цемент ПЦТ-1-50, армированный базальтовой фиброй с длиной волокон 3 мм в количестве 0,5%. Эксплуатационные колонны цементировались тампо-нажным цементом ПЦТ-1-100 и облегченными тампонажными цементами плотностью 1400 и 1500 кг/м3, которые также армировались базальтовой фиброй с длиной волокон 3 мм в количестве 0,5%.

Технология цементирования обсадных колонн не отличалась от традиционной, принятой на предприятии с использованием цементировочных агрегатов ЦА-320 м, ЦА-400, цементосмесительных машин 2СМН-20 и осреднительной емкости.

Проведенные испытания показали эффективность тампонажных материалов, соответствие параметров проектным характеристикам, технологичность их применения. Осложнений при креплении скважин не отмечено. После проведения перфорационных работ в процессе испытания объектов заколонной циркуляции не отмечено. Скважины выполнили поставленные перед ними задачи.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Низкая сопротивляемость тампонажного камня растягивающим напряжениям, плохие деформационные свойства и низкая ударостойчивость, характерные для большинства традиционных тампонажных материалов, являются одной из основных причин нарушения герметичности крепи скважин при операциях, проводимых внутри зацементированных обсадных колонн.

2. Расчетная радиальная деформация обсадной колонны и цементного кольца в зоне перфорации, выполненная методом конечных элементов, может достигать 3 мм, однако, расчетные деформации цементного кольца 0,3-0,7 мм на удалении 3-5 м от интервала перфорации позволяют сохранить целостность крепи скважины при соответствующей модификации применяемых цементов. Важнейшие характеристики тампонажных растворов и получаемого из них цементного камня могут эффективно регулироваться применением армирующих добавок (фибры), позволяющих реализовать в цементном камне принцип композиции, когда модифицирующая добавка компенсирует недостатки цементной матрицы.

3. В отличие от разрушения традиционных цементов механизм разрушения фиброармированных материалов включает процессы микротрещинообразования в цементной матрице; ее растрескивание и нарушение сплошности матрицы с передачей нагрузки в разрушаемом сечении на фибру; разрыв отдельных волокон и перераспределение усилий на другие волокна, пересекающие разрушаемое сечение; частичную, а затем полную потерю связи компонентов цементного камня, с последующим разрушением межфазной границы, сопровождаемым потерей несущей способности армирующих волокон. При этом тампонажные материалы, обладающие высоким начальным водосодержанием и низкой концентрацией твердой фазы, имеют пониженную степень анкеровки фибры в цементной матрице, приводящей к неэффективному использованию фибры.

4. Фибра, не оказывая влияния на фильтрационные свойства тампонажных растворов, на 30-50% повышает их седиментационную устойчивость, благодаря образованию армированной структуры в цементном растворе, удерживающей свободную воду. Повышение концентрации фибры в цементе изменяет основные физико-механические свойства получаемого камня, в частности:

- при концентрациях до 2% базальтовой фибры прочность камня, в зависимости от сроков твердения возрастает: при сжатии на 8-12%, при изгибе на 15-35%, при растяжении на 20-100%;

- в зависимости от сроков твердения, на 50-70% повышается продольная и на 40-50% поперечная деформация при разрушении на сжатие;

- на 30-75 % повышает абсолютные значения удельной ударной вязкости разрушения (в зависимости от В/Ц и времени твердения);

- снижает газопроницаемость цементного камня и повышает сопротивление крепи скважины газопрорыву даже после неоднократных воздействий, имитирующих работу инструмента при углублении скважины;

- в 2-4 раза повышает коэффициент линейного расширения цементного камня при твердении.

5. Для исключения осложнений при приготовлении и закачке тампонаж-ных растворов обоснован, разработан и запатентован способ получения армированного тампонажного материала, содержащего волокнистую добавку, предварительно свернутую в клубки, которые, разворачиваясь, принимают форму нитей или волокон в процессе закачки и продавки цементного раствора.

6. На технологической линии ООО «Цементные Технологии» выпущены партии цементов, армированных базальтовой фиброй, использованных для получения тампонажных растворов нормальной плотности и облегченных тампо-нажных растворов, эффективно примененных при креплении кондукторов, промежуточных и эксплуатационных колонн разведочных скважин на Комсомольском, Ячиндинском, Ичеминском и Северо-Туколандском месторождениях.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих научных трудах:

в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ:

1. Агзамов Ф.А. Моделирование динамических воздействий на крепь скважины на основе метода конечных элементов/Ф.А.Агзамов, А.В.Самсыкин, И.М.Губайдуллин, М.А.Тихонов и др.//Нефтегазовое дело. Научно-технический журнал, том 9, № 4, 2011.- С. 18-24.

2. Самсыкин A.B. Оценка влияния динамических нагрузок на формирование требований к свойствам цементного камня /A.B.Самсыкин, А.Ф. Галиев, ФА.Агзамов, М.А.Тихонов, Ф.У.Еникеев, А.В.Самсыкина//Нефтегазовое дело. Научно- технический журнал, том 10, № 1,2012.- С. 8-13.

3. Самсыкин A.B. Альтернативные исследования механических свойств цементного камня на основе фрактально-синергетической концепции механического поведения твердых тел / А.В.Самсыкин, И.И.Ярмухаметов, М.А.Тихонов, Ф.А. Агзамов, А.В.Самсыкина / /Территория нефтегаз, № 3,2012. - С. 76-80.

в других изданиях:

1. Тихонов М.А. Повышение герметичности крепи скважин за счет повышения сопротивляемости цементного камня динамическим нагрузкам /Тихонов М.А//Материалы 58-й научно-технической конференция студентов, аспирантов и молодых ученых, 2007,- С. 211.

2. Тихонов М.А. Герметичности крепи. Научно-технический журнал ТехНАДЗОР №4 (41), 2010. - С. 20-21.

3. Кулешов O.A. Экспериментальная оценка ударостойкости цементного камня / О.А.Кулешов, М.А.Тихонов//Материалы 61-й научно-технической конференция студентов, аспирантов и молодых ученых, 2010. - С. 341-342.

4. Тихонов М.А. Повышение безопасности скважин обеспечением герметичности ее крепи /М.А.Тихонов, Ф.А.Агзамов // Сборник докладов и выступлений Международного научного семинара-совещания «Актуальные проблемы предупреждения чрезвычайных ситуаций техногенного характера при разработке углеводородных месторождений Северо-Восточного Каспия» г.Атырау, 17-18 мая2010.-С. 11-13.

5. Каримов И.Н. Способ приготовления дисперсно-армированного тампонажного материала/И.Н.Каримов, М.А.Тихонов//П Международная научно-техническая конференция «Повышение качества строительства скважин», посвященная памяти Мавлютова М.Р. Сборник научных трудов, Уфа, 7-9 декабря 2010 г. Изд-во Нефтегазовое дело, 2010.- С. 276-278.

6. Тихонов М.А. Некоторые результаты исследования армированных там-понажных материалов/ М.А.Тихонов//И Международная научно-техническая конференция «Повышение качества строительства скважин», посвященная па-

мяти Мавлютова М.Р. Сборник научных трудов, Уфа, 7-9 декабря 2010 г. Изд-во Нефтегазовое дело, 2010,- С. 347-350.

7. Самсыкин A.A. Применение фрактально-синергетической концепции механического поведения твердых тел для исследований физико-механических свойств цементного камня. / А.В.Самсыкин, Ф.А.Агзамов, Р.А.Мулюков, О.Ю.Шарова, М.А.Тихонов //II Международная научно-техническая конференция «Повышение качества строительства скважин», посвященная памяти Мавлютова М.Р. Сборник научных трудов, Уфа, 7-9 декабря 2010 г. Изд-во Нефтегазовое дело, 2010.- С. 333-337.

8. Шарова О.Ю. Применение фрактально-синергетической концепции механического поведения твердых тел для изучения прочностных свойств цементного камня./ О.Ю.Шарова, М.А.Тихонов, А.В.Самсыкин, Р.А.Мулюков и др.//VI Международная научно-техническая конференция. Китайско-российское научно - техническое сотрудничество. Наука — образование - инновации. Тезисы докладов. КНР, Санья, 2011. - С. 21.

9. Тихонов М.А. Повышение герметичности крепи скважин применением армированных тампонажных материалов./М.А.Тихонов//Инновационные решения в строительстве скважин. Материалы Всерос. Научно-техн. Конфер., посвященной 100-летию со дня рождения акад. Трофимука A.A., Уфа: изд. УГНТУ.- 2011.- С. 105.

10. Крашенинников Р.В. Исследование удароустойчивости тампонажного камня/Р.В.Крашенинников, М.А.Тихонов//62-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ: Сборник материалов конференции/УГНТУ. - Уфа, 2011. - Кн. 1. - С. 268-269.

11. Куркин Е.А. Исследование влияния базальтовой фибры на деформационные свойства цементного камня / Е.А.Куркин, М.А.Тихонов//62-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ: Сборник материалов конференции/ УГНТУ. - Уфа, 2011. - Кн. 1. - С. 270.

12. Каримов И.Н. Применение дисперсного армирования для модификации тампонажных материалов /И.Н.Каримов, М.А.Тихонов, Ф.А.Агзамов // Материалы Научно-технической конференция «Проблемы прочности и долговечности бетона и железобетона», посвященной 100-летию со дня рождения проф. Полака А.Ф. Уфа: БашНИИстрой,- 2011.- С. 180-184.

13. Кадесников B.B. Влияние армирующих добавок на водоотдачу цементных растворов/В.В.Кадесников, М.А.Тихонов, С.Ф.Комлева//63-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ: Сборник материалов конференции/ УГНТУ. - Уфа, 2012. - С. 323.

14. Гиндуллина Д.В. Изучение реологических свойств тампонажных растворов на основе армированных цементов/Д.В.Гиндуллина, М.А.Тихонов//63-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ: Сборник материалов конференции/ УГНТУ. - Уфа, 2012. - С. 345.

15. Тихонов М.А Исследование механизма разрушения цементного камня и разработка армированных тампонажных цементов. / Тихонов М.А., Р.Ф.Исламов // Развитие инновационной инфраструктуры университета. Материалы III международного научного семинара. Уфа: ФГБОУ ВПО УГНТУ, «Реактив», - С. 42-44.

16. Тихонов М.А. Исследование герметизирующей способности тампонажных материалов/М.А.Тихонов, Э.Г.Халитова, А.О.Белоусов//Развитие инновационной инфраструктуры университета. Материалы III международного научного семинара. Уфа: ФГБОУ ВПО УГНТУ, «Реактив». - С. 45-48.

Патенты:

1. Агзамов Ф.А. Способ приготовления дисперсно-армированного тампонажного материала/ Ф.А.Агзамов, И.Н. Каримов, М.А. Тихонов //Патент РФ № 2396300 - опубл. 10.08.2010. Бюл. 22.

2. Агзамов Ф.А. Центратор обсадной колонны/Ф.А.Агзамов, И.Н.Каримов, М.А.Тихонов//Патент РФ №2468181, опубл. 27.11.2012 Бюл. 33.

3. Агзамов Ф.А. Центратор обсадной колонны с изменяемой геометри-ей/Ф.А.Агзамов, И.Н.Каримов, М.А.Тихонов// Патент РФ № 2473777, опубл. 27.01.2013 Бюл. 3.

Подписано в печать 04.04.2013. Бумага офсетная. Формат 60x84 Vi6 Гарнитура «Тайме». Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1 Тираж 100. Заказ 35

Типография Уфимского государственного нефтяного технического университета

Адрес издательства и типографии: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Тихонов, Михаил Алексеевич, Уфа

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уфимский государственный нефтяной технический университет»

На правах рукописи

0420136178Г V

ТИХОНОВ МИХАИЛ АЛЕКСЕЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ФИБРОАРМИРОВАННЫХ ТАМПОНАЖНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 25.00.15 - «Технология бурения и освоения скважин»

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Ф.А.Агзамов

Уфа-2013

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ 5

1 АНАЛИЗ КАЧЕСТВА КРЕПЛЕНИЯ СКВАЖИН И ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА КАЧЕСТВО КРЕПИ................. 9

1.1 Анализ промысловой информации....................................... 9

1.2 Влияние некоторых технологических факторов процесса крепления на первичное качество крепи скважины........................... 10

1.3 Влияние свойств тампонажного материала на качество крепи скважины...................................................................... 13

1.4 Влияние свойств цементного камня на качество крепи скважины 14

1.5 Стойкость цементного камня к динамическим воздействиям...... 16

1.6 Влияние технологических операций, проводимых в скважине, на состояние крепи............................................................. 18

1.7 Перспективные направления повышения устойчивости крепи скважин к действию ударных нагрузок................................. 23

1.8 Выводы по главе 1. Определение цели и задачи работы............ 28

2 РАБОТА КРЕПИ СКВАЖИНЫ В ДИНАМИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ НАГРУЖЕНИЯ............................................. 30

2.1 Нагрузки, действующие на крепь скважины........................... 30

2.2 Моделирование динамических воздействий на крепь скважины

на основе метода конечных элементов................................. 31

2.3 Теоретические предпосылки исследования механических свойств цементного камня на основе фрактально-синергетической концепции механического поведения твердых

тел.............................................................................. 44

2.4 Теоретическое рассмотрение механизма взаимодействия армирующей добавки и цементной матрицы при разрушении........... 48

2.5 Анализ свойств тампонажных материалов для обеспечения герметичности крепи скважины............................................... 51

2.6 Обоснование и выбор фибры для армирования тампонажных материалов ........................................................................ 63

2.7 Определение количества фибры в тампонажном материале....... 68

Выводы по главе 2......................................................... 71

3 МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ОБРАБОТКИ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ..................... 74

3.1 Исследования свойств тампонажных растворов...................... 74

3.1.1 Методика исследований фильтрационных свойств цементного раствора................................................................................................................................................74

3.1.2 Определение реологических свойств тампонажных растворов ... 75

3.2 Исследование свойств цементного камня..............................................................76

3.2.1 Определение прочности и деформации цементного камня при разрушении цементного камня........................................................................................76

3.2.2 Методика определения ударной выносливости цементного камня 78

3.2.3 Методика определения объемных изменений цементного камня 80

3.2.4 Оценка герметизирующих свойств фиброармированных цементов ..............................................................................................................................................................81

3.3 Методика планирования и математическая обработка экспериментальных данных..................................................................................................................83

3.4 Обоснование применения дезинтеграторной технологии при получении фиброармированных цементов ................................................................86

3.5 Обоснование технологии получения фиброармированных тампонажных материалов...................................................................................88

Выводы по главе 3....................................................................................................................91

4 ВЛИЯНИЕ ФИБРОАРМИРОВАНИЯ НА СВОЙСТВА ЦЕМЕНТНЫХ РАСТВОРОВ И КАМНЯ............................................................92

4.1 Влияние армирования на водоотдачу тампонажных растворов ... 92

4.2 Влияние армирования на водоотделение тампонажных

растворов............................................................................................................................................94

4.3 Влияние фибры на реологические свойства тампонажных растворов............................................................................................................................................96

4.4 Влияние фибры на контракцию при твердении цементов....................99

4.5 Влияние фибры на прочность и деформационные свойства цементного камня........................................................................................................................100

4.6 Влияние фибры на удароустойчивость цементного камня....................112

4.7 Влияние фибры на проницаемость цементного камня..............................115

4.8 Влияние фибры на герметизирующую способность цементного камня......................................................................................................................................................116

4.9 Влияние фибры на расширение цементного камня при твердении 120

4.10 Исследование взаимодействия фибры с цементной матрицей..........123

Выводы по главе 4........................................................................................................................133

5 АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ И РЕАЛИЗАЦИЯ ЕЕ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ......................................................................................................137

5.1 Перспективные разработки................................................................................................137

5.1.1 Совершенствование и модификация армирующих добавок (фибры) ..............................................................................................................................................................137

5.1.2 Комбинирование фибр............................................................................................................138

5.1.3 Разработка центраторов с изменяемой геометрией......................................139

5.2 Выпуск тампонажных материалов..............................................................................145

5.3 Внедрение разработок при креплении обсадных колонн........................148

5.3.1 Внедрение тампонажных материалов на Комсомольском месторождении ............................................................................................................................................149

5.3.2 Результаты крепления скважины 41Р Комсомольского месторождения ..............................................................................................................................................151

5.3.3 Результаты крепления скважины на других месторождениях............152

Выводы по главе 5......................................................................................................................154

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ..............................................156

Литература..........................................................................................................................................158

Приложения......................................................................................................................................171

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследований. Крепление скважин остается важнейшим фактором, определяющим ее качество, как инженерного сооружения. При этом значительная роль отводится тампонажным портландцементам, которые, несмотря на активные работы в области поиска новых материалов для цементирования обсадных колонн, будут еще длительное время оставаться основным материалом для крепления скважин.

Портландцементы, обладая несомненными преимуществами перед другими тампонажными материалами, имеют существенные недостатки, которые снижают качество крепи. Прежде всего, это относится к изоляционным свойствам цементного камня, на которые значительное влияние оказывают его деформационные характеристики.

Напряжения изгиба и растяжения, имеющие, как правило, импульсный характер, приводят к разрушению цементного камня за обсадной колонной и потере герметичности крепи скважин.

Один из аспектов совершенствования тампонажных материалов на порт-ландцементной основе предусматривает применение дисперсного армирования вяжущих, в конечном счете повышающего сопротивляемость тампонажного камня динамическим нагрузкам, за счет того, что цементная матрица обеспечивает сопротивление сжимающим напряжениям, а армирующий волокнистый компонент (фибра) - растягивающим и изгибающим напряжениям.

Цель работы. Разработка фиброармированных тампонажных материалов для повышения качества заканчивания скважин.

Основные задачи исследований

1. Анализ качества крепления скважин и оценка роли динамических воздействий на герметичность и состояние крепи.

2. Анализ напряжений, возникающих в крепи скважины при работах внутри обсадных колонн.

3. Анализ механизма разрушения тампонажного камня из фиброармированных цементов.

4. Исследование влияния фибры на свойства тампонажного раствора и камня.

5. Модификация фибр и совершенствование тампонажных составов.

6. Выпуск фиброармированных тампонажных материалов и их применение при креплении скважин.

Научная новизна

1. Обосновано и предложено объяснение механизма кратного усиления эффекта расширения в фиброармированных расширяющихся тампонажных материалах, обусловленного передачей кристаллизационного давления расширяющей добавки на структурный каркас, образованный фиброй.

2. Впервые оценены продольная и поперечная деформации цементного камня при разрушении на сжатие, а также возможная деформация цементного кольца в скважине в зависимости от расстояния от точки приложения нагрузки, и показана возможность сохранения целостности крепи во время проведения технологических операций внутри обсадной колонны, путем соответствующей модификации цементов с помощью фибры.

3. Обоснована методология и реализовано техническое обеспечение исследования деформационных и изоляционных свойств фиброармированных тампонажных материалов, позволяющие определять различные деформации цементного камня при разрушении, удельную ударную вязкость его разрушения и сопротивляемость газопрорыву.

Основные защищаемые положения

1 Методика и результаты расчета напряжений, возникающих при динамических и ударных нагрузках в обсадной колонне и цементном кольце.

2 Результаты экспериментальных исследований рецептур тампонажных смесей на основе портландцемента с различными видами фибры.

3 Составы фиброармированных тампонажных материалов с технологическими свойствами, регулируемыми в широких пределах.

4 Технология получения, испытания и применения фиброармированных тампонажных материалов и растворов, а также результаты их промышленных испытаний.

Практическая ценность

1. Подтверждена эффективность фиброармирования тампонажных материалов для повышения физико-механических свойств тампонажных растворов и камня, полученного из них.

2. Обоснованы рациональные концентрации фибры для модификации тампонажных материалов и разработаны их рецептуры.

3. Обоснована технология получения фиброармированных тампонажных материалов и проведено внедрение разработок при креплении скважин.

Реализация работы в промышленности

1. Усовершенствованные рецептуры фиброармированных тампонажных материалов изготовлены по дезинтеграторной технологии в ООО «Цементные Технологии» и использованы при креплении разведочных скважин на Комсомольском, Ячиндинском, Ичеминском и Северо-Туколандском месторождениях.

2. Результаты исследования фиброармированных тампонажных материалов и методы их испытаний используются в УГНТУ при изучении дисциплин «Заканчивание и крепление скважин в сложных горно-геологических условиях» и «Регулирование свойств тампонажных материалов для цементирования скважин в осложненных условиях» магистрантами, обучающимися по направлению подготовки «Нефтегазовое дело».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- 57, 59 - 63 конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ в 2007 - 2012 годах;

- Международном научном семинаре-совещании «Актуальные проблемы предупреждения чрезвычайных ситуаций техногенного характера при разра-

ботке углеводородных месторождений Северо-Восточного Каспия» г. Атырау, 2010 г;

- Международной научно-технической конференции «Повышение качества строительства скважин», посвященной памяти Мавлютова М.Р.,Уфа, 20Юг;

- Международных научных семинарах «Развитие инновационной инфраструктуры университета», Уфа, 2011, 2012 г.г;

- Научно-технической конференции «Проблемы прочности и долговечности бетона и железобетона», посвященной 100-летию со дня рождения профессора Полака А.Ф., Уфа, БашНИИстрой, 2011.

- VI Международной научно-технической конференции «Китайско-российское научно-техническое сотрудничество. Наука-образование-инновации». КНР, Санья, 2011.

- Всероссийской научно-технической конференции «Инновационные решения в строительстве скважин», посвященной 100-летию акад. Трофимука A.A., Уфа, 2011.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 21 научная работы, в том числе 4 статьи, 16 материалов и тезисов конференций и 2 патента. В изданиях, рекомендованных ВАК для публикации материалов докторских и кандидатских диссертаций, опубликовано 3 работы.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов и рекомендаций. Работа изложена на / страницах, включает 49 рисунков, 42 таблицы и 4 приложения. Список использованной литературы состоит из 143 наименований.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ КАЧЕСТВА КРЕПЛЕНИЯ СКВАЖИН И ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА КАЧЕСТВО КРЕПИ 1.1 Анализ промысловой информации

Качество крепления скважин всегда было «болевой» точкой для всех нефтедобывающих предприятий. Об этой проблеме начали говорить практически с первых работ по строительству скважин. Во второй половине прошлого века, когда объемы буровых работ в бывшем СССР были очень большими, и ежегодно в эксплуатацию вводились тысячи скважин, проблема повышения качества заканчивания скважин стала особенно острой. Именно в этот период был создан институт ВНИИКРнефть (ныне НПО «Бурение»), ставший головной организацией по решению проблем, возникающих на заключительных этапах строительства скважин [1].

Именно ВНИИКРнефть под руководством Булатова А.И. впервые начал системную работу по повышению качества крепления скважин. Сотрудниками данного института был проведен анализ качества крепления обсадных колонн по многим нефтяным и газовым месторождениям, и выявлены основные факторы, влияющие на него [2, 3, 4]. Следует отметить, что уже более ста лет основным и практически единственным тампонирующим материалом при строительстве скважин остается портландцемент, являющийся искусственным минеральным вяжущим веществом, свойства которого регламентированы ГОСТ [5,6].

На нынешнем этапе развития нефтегазовой промышленности требования к качеству крепи скважины существенно ужесточились.

При этом следует отметить, что несмотря на общие задачи, критерии оценки качества крепи на разных предприятиях несколько отличаются друг от друга.

В большинстве нефтяных компаний в качестве показателей качественного крепления скважин при первичном цементировании принято:

- заполнение затрубного пространства скважин тампонажным раствором;

- сцепление цементного камня с обсадной колонной;

- сцепление цементного камня с горной породой;

- наличие перетоков по затрубному пространству после цементирования.

В то же время, по объединению «Татнефть» для оценки качества крепления скважин используется разработанный в ТатНИПИнефть комплексный показатель [7], включающий кроме указанных характеристик и другие критерии.

Мы полагаем, что при оценке качества крепи скважины целесообразно выделить качество крепи на первом этапе или «первичное», и качество крепи на втором этапе или «вторичное».

На первом этапе качество крепи оценивается только по результатам работ по цементированию обсадных колонн.

На втором этапе качество крепи оценивается позже после проведения в скважине различных технологических операций.

Факторами, влияющими на качество первичного крепления, являются технология крепления, свойства применяемых тампонажных материалов и их растворов. При этом большинство применяемых на этой стадии технологических приемов ведет к повышению качества крепи скважины.

Технологические операции, проводимые в зацементированных скважинах, влияют на вторичное качество крепления, и, как правило, ухудшают его. Поскольку применение различных технологических операций после ОЗЦ часто является неизбежным, то задача состоит в том, чтобы еще на этапе крепления минимизировать последующие повреждения крепи.

Поскольку на любом этапе жизни скважины качество крепи зависит от множества факторов, более подробно рассмотрим основные из них.

1.2 Влияние некоторых технологических факторов процесса крепления на первичное качество крепи скважины

Данный вопрос детально рассмотрен во многих работах отечественных и зарубежных ученых, поэтому ограничимся их кратким анализом.

Режим течения тампонажного раствора в затрубном пространстве. Еще в 1948 году Говардом и Кларком [8] было показано, что при турбулентном течении обеспечивается максимальное (близкое к 100%) вытеснение промы-

вочной жидкости цементным раствором, тогда как при ламинарном режиме степень вытеснения минимальна и редко превышает 50%. Позднее аналогичные результаты были получены и другими исследователями [9].

Анализ режимов цем�