Управление технологическими параметрами буровых и тампонажных растворов изменением структурного состояния дисперсионной среды

Шарафутдинов, Зариф Закиевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Управление технологическими параметрами буровых и тампонажных растворов изменением структурного состояния дисперсионной среды
ВАК РФ 25.00.15, Технология бурения и освоения скважин

Автореферат диссертации по теме "Управление технологическими параметрами буровых и тампонажных растворов изменением структурного состояния дисперсионной среды"

На правах рукописи

ШАРАФУТДИНОВ Зариф Закиевич

УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ БУРОВЫХ И ТАМПОНАЖНЫХ РАСТВОРОВ ИЗМЕНЕНИЕМ СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ ДИСПЕРСИОННОЙ СРЕДЫ

Специальность 25.00,15 - Технология бурения

и освоения скважин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2006

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Уфимском государственном нефтяном техническом университете

Научный консультант -

доктор технических наук, профессор,

чл.-корр. АН РБ

М.Р.Мавлютов

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

В.Н.Поляков

доктор технических наук, профессор

А.А.Клюсов

доктор технических наук, профессор

Г.П.Зозуля

Ведущее предприятие — ООО «ТюменНИИгипрогаз».

Защита состоится 25 мая 2006 г. в 15 ч на заседании диссертационного совета Д 212.224.02 при Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд.1160.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан 24 апреля 2006 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета д.т.н., профессор Н.И.НИКОЛАЕВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Успешность строительства нефтегазодобывающих скважин, безаварийная эксплуатация и возможность проведения мероприятий по интенсификации отбора углеводородных флюидов определяется техническим состоянием ее крепи. Герметичность крепи скважин обеспечивается состоянием стенок ствола скважины после бурения и мероприятиями, проведенными при подготовке его к цементированию, а также качеством выполнения работ при цементировании.

Опыт строительства и эксплуатации скважин показывает, что использование технологических жидкостей на водной основе нередко влечет за собой низкое качество разобщения пластов, разрушение и потерю крепи скважины. Это говорит о том, что существующие подходы к формированию свойств буровых и тампонажных растворов не всегда позволяют успешно решать технические проблемы строительства скважин в интервалах, представленных неустойчивыми глинистыми отложениями, повышенными температурами, высокой агрессивностью пластовых флюидов и т.д.

Разработка новых подходов к управлению свойствами буровых и тампонажных растворов в сложных горно-геологических условиях во многом осложнена недостаточной изученностью влияния изменения свойств воды на их технические свойства. Традиционно в химии буровых и тампонажных растворов воду рассматривают только как ионно-молекулярное вещество, в то время как она также способна проявлять свойства атомных и металлических веществ. В зависимости от того, свойства какого вещества проявляет вода, в значительной мере изменяются и технические свойства жидкостей, используемых в строительстве скважин. Поэтому, необходимо направленно управлять состоянием воды в составе буровых и тампонажных растворов, для предотвращения различных осложнений в строительстве и длительной эксплуатации скважин, обеспечения максимальной отдачи нефти из продуктивного пласта.

20.09.96 №468; программы «О развитии нефтяной промышленности Республики Татарстан до 2000 года» протокол заседания ЦКР Минтопэнерго от 01.10.96; «Экологическая безопасность при добыче нефти на юго-востоке Республики Татарстан», утвержденная генеральным директором АО «Татнефть» от 15.10.96.

Работа направлена на решение общенаучной и общеотраслевой проблемы повышения качества и технико-экономических показателей строительства скважин за счет предотвращения негерметичности крепи скважины в процессе их эксплуатации, которая вызвана разрушением стенок скважины при гидратации глинистых отложений, а также недостаточной изолирующей способностью тампонаж-ного раствора.

Цель работы. Повышение эффективности и качества сооружения нефтяных и газовых скважин в глинистых породах, в условиях воздействия агрессивных пластовых флюидов и повышенных температур.

Идея работы — целенаправленное управление технологическими свойствами буровых и тампонажных растворов путем изменения состояния связей воды в их составе.

Задачи исследований

1. Анализ состояния скважин, построенных с использованием буровых и тампонажных растворов на водной основе. Технические проблемы по управлению свойствами буровых и тампонажных растворов.

2. Обобщение теоретических и экспериментальных исследований воды и ее влияния на процессы, происходящие в буровых и тампонажных растворах для разработки мероприятий по управлению свойствами буровых и тампонажных растворов.

3. Уточнение и дополнение представлений о строении глины, гид-ратных соединений, слагающих цементный камень и о процессах, протекающих при гидратации глины и цемента.

4. Научное обоснование выбора реагентов и технологии их применения для управления свойствами буровых и тампонажных растворов.

5. Разработка технологических мероприятий по получению и применению технологических жидкостей на водной основе в строи-

тельстве скважин, характеризующихся залеганием неустойчивых глинистых отложений и агрессивных термодинамических условий строительства скважин. 6. Промысловые испытания, разработка нормативно-технической документации и оценка экономической эффективности разработанных мероприятий.

Методика исследований

1. Обобщение теоретических исследований о воде и ее поведения в буровых и тампонажных растворов.

2. Обобщение теоретических и экспериментальных исследований в системах: глина-вода, глина-вода-химический реагент, цемент-вода, цемент-вода-химический реагент.

3. Разработка технологий по управлению свойствами буровых и тампонажных растворов.

4. Проведение промысловых испытаний и анализ их результатов.

Достоверность научных положений и выводов, технических решений и рекомендаций базируются на достаточном объеме теоретических и экспериментальных исследований с применением современных методов исследований. Достоверность научных положений подтверждается и результатами промышленного использования разработанных мероприятий.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Установлены закономерности влияния состояния связей воды на поведение глины в скважине, фильтрационные и реологические свойства буровых растворов;

2. Установлены закономерности состояния связей воды на скорость схватывания цементного раствора, объемные изменения и устойчивость цементного теста-камня к агрессивным воздействиям в заколонном пространстве скважин.

Защищаемые положения

1. Управление устойчивостью глины, фильтрационными и реологическими свойствами бурового раствора осуществляется изменением состояния связей воды в составе глины, бурового раствора;

2. Схватывание тампонажного раствора определяется состоянием воды при взаимодействии продуктов гидратации цемента;

3. Управление объемными деформациями цементного теста-камня в за — и межколонном пространстве скважин достигается изменением полярности водородных связей;

4. Длительная устойчивость цементного камня при агрессивном действии температур и пластовых флюидов достигается повышением стабильности гидратного полимера на основе продуктов гидратации цемента.

Практическая ценность работы

1. Разработаны и внедрены в практику строительства скважин технологии получения и применения буровых растворов на основе многоатомных спиртов и четвертичных аминов, повышающие устойчивость стенок скважины в глинистых отложениях;

2. Предложены для применения ускоритель твердения цемента в виде солевой смеси, являющейся побочным продуктом производства соды, а также замедлитель отвердевания цемента в виде техногенного алюмосиликата, содержащего в своем составе силикат алюминия: горелая порода, зола-унос и керамзитовая пыль.

3. Впервые предложены и применены водорастворимые соединения в качестве расширяющих добавок к тампонажному портландцементу.

4. Впервые предложена технология получения и применения термо — и коррозионностойкого тампонажного портландцемента, затвердевающего вследствие одностадийного формирования гидро-гроссуляров.

Реализация результатов работы

По результатам исследований в 1986-1999 гг. при проводке и цементировании скважин в АО «Атыраунефтегазразведка», АО «Недра», ОАО «Татнефть», ФГУП «Арктикморнефтегазразведка» использовались технологии: получения и применения тампонажных растворов с управляемой контракцией при твердении цемента, управления скоростью твердения тампонажных цементов и тампонажных цементов, затвердевающих вследствие образования гидро-гроссуляров, а также получения и применения промывочных жидкостей;

Разработаны и внедрены РД 39 - 0147585 - 158 - 97 «Временная инструкция по первичному вскрытию и укреплению глини-

стых отложений при строительстве скважин на месторождениях АО «Татнефть»»; РД 39 — 0147585 — 096 — 93 «Технология изоляции зон интенсивного поглощения бурового раствора с использованием тик-сотропной тампонажной композиции»; временная инструкция АО «Татнефть» «Технология цементирования обсадных колонн с использованием расширяющих добавок в портландцемент»; инструкция АО «Татнефть» «Приготовление и применение сероводородо-стойкого гидрогранатного цемента».

Научная значимость работы заключается в следующем. На основе развития представлений о поведении воды в составе буровых и тампонажных растворов выявлена возможность повышения качества строительства скважин.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались на заседаниях и техсоветах АО «Татнефть» (1992-1997гг.); семинарах - дискуссиях в гг. Астрахани, Краснодаре, Москве, Тюмени и Уфе; 1 Международном (9 — Всесоюзном) Совещании по химии и технологии цементов; Втором международном конгрессе «Новые высокие технологии для нефтегазовой промышленности и энергетике будущего». Высокие технологии. Москва-850. Москва, 1997; III. — Бакинская Международная Мамедалиевская нефтехимическая конференция. Баку, 1998.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 40 работ, в том числе монография, 11 авторских свидетельств и патентов.

Автор благодарит своих учителей д.т.н., профессора, чл.-

корр. АН РБ, академика РАЕН [Мавлютова М.Р.[; д.т.н., профессора

Спивака А.И.; д.т.н. Кравцова В.М.; д.т.н. Кузнецова Ю.С.; д.т.н. Н. И. Николаева, к.х.н. Чегодаева за внимание и помощь, оказанную в выполнении работы. Автор также благодарен д.т.н. Кузнецовой Т.В., д.т.н. Агзамову Ф.А., д.т.н. Шатову A.A., д.т.н. Загирову М.М., к.т.н. Васильеву В.В., к.т.н. Катееву И.С., Студенскому М.Н., сотрудникам УГНТУ, АО «Татнефть», ТатНИПИнефть, ФГУП «Арктикморнеф-тегазразведка» за помощь, оказанную при обсуждении результатов и реализации работы в промышленности.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертационная работа состоит из введения и пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем диссертационной работы составляет 369 страниц текста, из них 121 рисунок, 32 таблицы, 249 библиографических ссылок и 13 приложений на 22 страницах.

Во введении определена основная цель и направление исследований, показана взаимосвязь между техническими проблемами, возникающими в строительстве и эксплуатации скважин и свойствами используемых технологических жидкостей, их влиянии на герметичность крепи скважин.

В первой главе диссертационной работы анализируется состояние скважин, построенных с использованием технологических жидкостей на водной основе. Рассматриваются мероприятия, используемые для повышения герметичности крепи скважин и существующие представления о методах управления свойствами буровых и тампонажных растворов.

В результате анализа промысловых данных выявлены случаи выхода скважин из строя, обусловленные деформацией обсадных колонн в интервалах залегания глинистых отложений. Сминающее действие глин вызвано наличием контакта глины с пластовой или закачиваемой, для поддержания пластового давления, водой. Этому способствует исходная негерметичность крепи и состояние цементного камня после осуществления мероприятий по интенсификации добычи нефти.

Проблему обеспечения герметичности крепи скважины следует начинать решать на стадии вскрытия глинистых отложений, а заканчивать ее решение на стадии цементирования скважин. Для решения задачи управления состоянием стенок скважины, изоляции заколонного пространства скважины используют буровые и тампо-нажные растворы, содержащие в своем составе различные реагенты. Однако они не всегда позволяют эффективно решать задачи, возникающие при строительстве и эксплуатации скважин.

На наш взгляд, это во многом обусловлено тем, что при выборе и применении реагентов не всегда учитывают изменения, вносимые ими в состояние воды. Следует признать, что представления

о строении воды, используемые в химии буровых и тампонажных растворов, не рассматривают ее в единстве действия всех межмолекулярных сил: дисперсионных, электростатических и химических. Поэтому вопросы о поведении воды в составе буровых и тампонажных растворов являются недостаточно изученными и требуют своего решения.

Для разработки мероприятий по управлению устойчивостью ствола скважины, представленного глинистыми отложениями рассмотрены свойства и структура исходных компонентов глинистых растворов, а именно глины, воды и влияние на них различных реагентов.

Вода. Воде и изучению ее свойств посвящено большое число исследований. Хорошо изучен водяной пар, изучена элементарная частица водяного пара, называемая молекулой воды, детально изучены многочисленные полиморфные модификации твердой воды. Строение жидкой воды изучено недостаточно. Основополагающими работами, описывающими поведение воды в различных условиях являются работы Берналла и Фаулера, Л. Полинга, Леннард-Джонса, Попла, Клауссена, Гретхейма, Франка и Вена, Немети и Шераги, Марчи и Эйринга, Форслинда, Орентлихер, Перрама, Гурикова Ю.В., Зацепиной, Г.М., Крестова Г.А. Менделеева Д.И., Самойлова О.Я. и мн., мн. др. исследователей.

В природе вода проявляет свойства четырех крайних типов веществ: молекулярных, ионных, атомных, а при высоких давлениях и металлических. Проявление свойств того или иного вещества определяется превалирующим действием в нем тех или иных межмолекулярных сил и термодинамическими условиями существования воды.

Соединения, растворяемые в воде, создают растворы замещения и растворы внедрения (соединения включения, клатраты, ад-дукты). Соединения, формирующие растворы замещения, придают воде свойства ионно-молекулярного вещества. Раствор внедрения в воде представляет собой структуру, состоящую из полимеризован-ной воды и наполнителя ее структурных пустот. Раствор внедрения образуется медленно. Если вещество в данном растворителе даёт устойчивый раствор внедрения, но не даёт раствор замещения, ус-

тойчивый раствор внедрения образуется быстро при совместной конденсации веществ. Примером этому являются гидраты газов. Растворы внедрения усиливают проявление у воды свойств атомного вещества.

Более полный учет особенностей поведения воды в контакте с такими гидрофильными веществами как глина, цемент позволяет уточнить роль межмолекулярных сил при гидратации последних, наметить пути управления их поведением в необходимом направлении и обеспечить, таким образом, герметичность крепи скважин.

Глина и ее гидратация. Исследованиям процесса гидратации глин, их стабилизации и поведению в составе буровых растворов посвящены работы многих ученых: JI. Паулинга, И. Грюнера, К. Эндела, Д. Вилма, Ахмадеева Р.Г., Ангелопуло O.K., Андресона Б.А., Городнова В.Д., Дерягина В.Б., Зозули Г.П., Кошелева В.Н., Круглицкого H.H., Кульчицкого Л.И., Мавлютова М.Р., Крысина Н.И., Литяевой З.А., Овчаренко Ф.Д., Пенькова О.И., Полякова В.Н., Потапова А.Г., Рахимбаева Ш.М., Ребиндера П.А., Рябченко В.И., Тимохина И.М., Ягафарова Р.Г. и многих других.

Анализ существующих представлений о строении глины, ее гидратации и набухания показал, что в них не полностью учитываются свойства и природа межмолекулярных сил и особенности поведения воды в глине. Большинство современных исследователей рассматривает глину как слоистые силикаты, в которых кремнекис-лородные тетраэдры чередуются с гидратированными глиноземистыми или магниевыми октаэдрами. Связь между ними осуществляется посредством водородных или электростатических сил, а также через образование алюмокислородных мостиков. Связь между слоями носит полярный характер, пакеты между собой скрепляются ван-дерваальсовыми силами. Эти представления лежат в основе многих работ, посвященных глинам. Данный подход встречает возражения при сопоставлении этих положений с известными свойствами веществ, имеющих аналогичный характер связей в них. Все это соответственно накладывает отпечаток и на представления о процессах гидратации глины и управления ними.

Тампонажные цементы и растворы. Исследованиям процесса гидратации цемента и разработке методов управления его

свойствами посвящено большое количество исследований Агзамова Ф.А., Бабкова В.В., Бутта Ю.М., Булатова А.И., Будникова П.П., Бакшутова B.C., Данюшевского B.C., Дмитриева A.M., Зозули Г.П., Ратинова В.Б., Рахимбаева Ш.М., Мавлютова М.Р., Мачинского Е.К., Каримова Н.Х., Кравцова В.М., Крылова В.И., Кузнецовой Т.В., Кузнецова Ю.С., Клюсова А.А., Новохатского Д.Ф., Овчинникова В.П., Полака А.Ф., Тимашева В.В., Юсупова И.Г. Однако, в химии вяжущих веществ мало внимания уделяется поведению и свойствам воды в составе цементного теста-камня. Поэтому появляются вопросы, требующие дополнительного осмысления. Существующие представления о природе процессов, происходящих при твердении цемента, отличаются противоречивостью в их интерпретации и рассматривают воду только как ионно-молекулярное вещество. Это противоречит известным данным о свойствах химических связей, природе межмолекулярных сил, физическим свойствам цементного камня, а также известным данным по состоянию воды в составе цементного камня.

Во второй главе проведен анализ взаимодействия межмолекулярных сил в буровых и тампонажных растворах. В соответствии с этим уточняются представления о процессах, происходящих в них. В любой системе всегда соблюдается единство действия межмолекулярных сил: дисперсионных, электростатических и химических. Данное положение распространяется на поведение компонентов буровых и тампонажных растворов и их свойства в тех или иных условиях.

Поэтому, например, жидкую воду можно представлять следующим образом. Жидкая вода делится на две части — полимерную и мономерную. Мономерная вода наполняет полимерную. У полимерной воды реализованы водородные, электрические и дисперсионные связи, а у мономерной — только дисперсионные силы. Энергия полимерной воды ниже мономерной. Поэтому молекулы из полостей стремятся перейти в сетку. Однако при этом уменьшается степень заполнения полостей, и дисперсионные силы переводят эквивалентное количество воды из полимерного состояния в мономерное. В результате этого непрерывно происходит полимеризация и

деполимеризация воды, что обуславливает ее текучесть, диффузию, электропроводность и все остальные свойства.

Особое место в свойствах, проявляемых водой, занимает поведение водородных связей. Водородная связь в воде способна дискретно изменять свое состояние от ионной до ковалентной. Состояние водородной связи определяется качеством наполнения ее внутренней структуры и природой атома ее образовавшего. Ковалентное состояние водородной связи предложено называть гидратным. Подобное упрочнение водородных связей связано с ер3 гибридизацией орбиталей атома кислорода, вследствие чего образуется прочная гидратная связь (О'2 — Н+1 — О*2). В результате вода превращается в жесткое твердое тело. Такое затвердевание воды мы назвали гид-ратной полимеризацией. Примером этому являются гидраты кремнезема, глинозема, газогидраты и т.п.

Структура глины и управление поведением глины в процессе бурения. Исходя из свойств электрических, дисперсионных и химических сил, становится возможным уточнить известные представления о строении глины. Существующие противоречия в представлениях об их строении снимаются, если внести представления о том, что глина - это соединение включения (раствор внедрения), а ее структура представляет собой переплетение двух независимых объёмных сеток, состоящих из полимеризованных гидратов глинозема (магния) и кремнезема. Элементы одной сетки заполняют пустоты другой и, наоборот, при этом сетки взаимно упрочняются за счёт компенсации дисперсионных сил.

При контакте глины с водой происходит следующее. Гидросиликатная оболочка глины заполняется водой, способствуя ее первоначальному набуханию и гибридизации атома кислорода с образованием слоя гидратной (прочносвязанной, координационно-связанной) воды. Далее, за счет вновь поступающих порций воды, происходит формирование оболочки из молекул воды, скрепленных водородными связями, но обладающих меньшей прочностью, чем гидратная вода и она была названа нами гелевой (рыхлосвязанная), т.к. придает глинистой пасте свойства геля. Прочность гелевой сетки падает с отдалением от гидратного слоя воды. Образование гелевой оболочки и различия в свойствах гидратной и гелевой воды обу-

словлено квантованием связи с элементами их образовавшими. Структура гидратной и гелевой воды наполнена своими мономерами, повышающими их устойчивость. Изменение состояния исходной воды, происходящее при гидратации глины, приводит к раздвижке глинистых частиц. Происходящее при этом снижение диэлектрической проницаемости воды усиливает роль электростатических взаимодействий и обеспечивает диспергирование глины.

В системе глина — вода всегда существует равновесие между различными формами воды, т.е. мономерами, гелевой и гидратной водой. Предложенный механизм гидратации глины и изменение состояния воды согласуется с результатами экспериментальных исследований по изучению состояния воды в глине, приведенные в работах Дерягина Б.В., а также данными Кульчицкого Л.И., Овчаренко Ф.Д, Тарасевича Ю.И., Ягафарова Р.Г. и мн. др.

Разрушение глины можно предотвратить путем создания гидратного полимера, способного скрепить частицы глины между собой. Нами этот метод стабилизации назван «гидратным». Создают гидратные полимеры соединения, способные войти в структуру воды в качестве ее наполнителя. Они будут блокировать доступ мономеров воды вглубь глины, а гидратный полимер будет объединять частицы глины в единое целое, предотвращая тем самым их диспергирование.

Фильтрационные и реологические свойства буровых растворов. Из анализа природы сил, действующих в суспензиях — растворах, следует, что разделению фаз суспензий после фильтрации бурового раствора в проницаемый пласт способствует следующее: разрушение водородных связей в объёме суспензий и индукционный период их образования (восстановления); действие электростатических сил между частицами твердой фазы суспензий — растворов, которые препятствуют сближению частиц и не позволяют реализоваться водородным связям. Последнее явление имеет место в случае разрушения структуры водородных связей под действием электролитов.

Поэтому низкие значения фильтратоотдачи имеют суспензии, в которых водородная связь способна к быстрому восстановлению и упрочнению, отсутствует возможность электростатического

взаимодействия между частицами твердой фазы (т.е. буровой раствор обладает свойствами диэлектрика) или реализуется возможность непосредственного взаимодействия между гидратными оболочками частиц твердой фазы в проницаемой среде.

Вследствие наличия индукционного периода, необходимого для образования (упрочнения) водородных связей между компонентами раствора в фильтрационной корке, большую роль приобретает кинетический фактор, а именно — скорость закупорки проницаемого канала. Последний фактор определяется концентрацией компонентов раствора, способных к блокированию проницаемых каналов, скоростью подвода и соответствия размеров частиц дисперсной фазы растворов и перекрываемых каналов.

В процессе бурения необходимо направленно управлять реологическими параметрами буровых растворов. Для строительства скважин наиболее предпочтительно использовать пседопластиче-ские жидкости с величиной показателя нелинейности п<0,3.

Для нахождения путей создания таких величин п у буровых растворов проведен анализ сил, действующих в буровых растворах. Он показал, что реологическая модель, описывающая поведение бурового раствора определяется прочностью водородных связей и величиной индукционного периода их восстановления в процессе движения. Для создания псевдопластичных жидкостей с пониженными величинами псевдопластичности п<0,3, необходимо управлять прочностью гелевой воды в растворе, равномерно распределяя ее по объему, т.е. создавая непрерывную, полимерную структуру. Этого можно добиться, задавая последовательность ввода реагентов в процессе приготовления бурового раствора и используя высокомолекулярные водорастворимые полимеры.

Управление свойствами тампонажных растворов. Разработка мероприятий по управлению поведением тампонажных растворов в за — и межколонном пространстве скважин значительно упростится, если рассматривать гидратацию и твердение цемента как гидролиз и гидратную полимеризацию. В результате прохождения этих процессов в воде, под действием составляющих цемента, изменяется состояние водородных связей. Вяжущие компоненты цемента являются солями слабого основания и слабой кислоты. В

воде они неустойчивы, подвергаются гидролизу, который идет нацело и необратимо. Возможность гидролиза определяется поступлением мономеров воды к поверхности цемента, а также силой кислоты и основания, слагающих цемент. Продукты гидролиза являются хорошо растворимыми соединениями, поэтому они накапливаются в растворе, где происходит их полимеризация.

Процесс полимеризации происходит с образованием водородных связей между растворенными продуктами гидролиза цемента. Т.к. полимеры продуктов гидролиза являются плохо растворимыми новообразованиями и существуют в растворе одновременно, то они, переплетаясь между собой, образуют соединения включения (растворы внедрения). Матрицей, т.е. хозяином в такой структуре являются полимерные гидраты глинозема и кремнезема, а наполнителем — гидрат извести. Вхождению извести в структуру полимерных гидратов кремнезема и глинозема способствуют компенсации дисперсионных сил в их структуре и гибридизации атомов кислорода в структуре полимерного гидрата кремния (алюминия). Это приводит к гидратной полимеризации в цементном тесте, его схватыванию, формированию камня.

Предложенный механизм схватывания тампонажных цементов находит подтверждение в результатах изучения состояния воды в процессах гидратации различных вяжущих веществ. Это данные по состоянию связей в воде при гидратации цемента, полученные изучением диэлектрической проницаемости (Сычева М.М., Сватовской Л.Б., Клюсов A.A.), по изменению скорости релаксации протонов методом ЯМР (Тимашев В.В., Циммерман), изучением гидратации цемента методом инфракрасной спектрометрии (Кузнецова Т.В., Клюсов A.A.).

Ускоряют схватывание цемента соединения, придающие воде свойства ионно-молекулярных веществ и способствующие тем самым ускорению процессов гидролиза и полимеризации продуктов гидролиза цемента, а также создающие дополнительное количество полимерных гидратов в объеме цементного раствора — теста — камня. К ускорителям следует отнести и соединения, усиливающие и ускоряющие процесс гидратной полимеризации за счет заполнения

структурных полостей гидратной воды (формиаты натрия, кальция и ДР-)-

Из-за способности реагента, повышать диэлектрическую проницаемость воды, т.е. придавать воде свойства ионно-молекулярного вещества, в качестве ускорителя схватывания цементного раствора-теста, предложено применять побочный продукт производства соды — солевую смесь. Данный продукт представляет собой смесь солей хлористого натрия и кальция. Экспериментальное изучение влияния солевой смеси на схватывание и процессы гидратации тампонажного портландцемента показали, что солевая смесь не уступает по своему действию на сроки схватывания традиционно применяемому хлористому кальцию.

Анализ процессов гидратации, влияния различных реагентов на состояние связей в воде, свойства растворенных продуктов гидролиза цемента показывает, что соединения, препятствующие полимеризации продуктов гидролиза цемента, замедляют скорость гидролиза цемента и являются замедлителями твердения цемента.

Замедляет схватывание цемента и нарушение условий формирования гидратных соединений. Кинетические затруднения для формирования гидратных соединений цемента появляются при заполнении сетки гидрата кремнезема, например, гидратом глинозема. Это замедлит процесс затвердевания цемента. Соединением, способным поставлять мономеры гидратов глинозема и кремнезема, является силикат алюминия. В природе силикат алюминия образуется при совместном плавлении глинозема и кремнезема, присутствует в техногенных продуктах: горелая порода вскрыши угольных месторождений, зола-унос топливных электростанций и керамзитовая пыль — побочный продукт производства керамзита.

Для обеспечения герметичности крепи скважин необходимо управлять объемными изменениями цементного теста-камня в за - и межколонном пространстве скважин. Усадка портландцементного теста-камня в за — и межколонном пространстве скважин обусловлена пластичностью гидратных связей растворов внедрения на основе полимерного гидрата кремнезема.

Пластичность гидратных связей определяется их полярностью. Так связи в гидрате глинозема, в силу меньшей электроотри-

цательности алюминия, менее полярны чем в гидрате кремнезема. Поэтому цементное тесто-камень на основе силикатов кальция отличается усадочностью, а на основе алюминатов кальция прочность и жесткость гидратных связей воды такова, что фиксируется расширение цементного теста-камня. Т.е. контракция способствует образованию пор в объеме цементного камня, а не его усадке (см. табл.

О-

Таблица 1 Контракция и объемные изменения цементного теста_камня при гидратации вяжущих веществ_

Реакции гидратации Изменение объема цементного камня, в % через сутки К, см3/100 г

1 3 7 28

С38+ЗН=С28Н2+Са(ОН)2 -0,08 -1,0 - - 3,30

РС28+2Н=С28Н2 - - -1,02 -1,1 1Д9

По данным Т.В. Кузнецовой

С3А+6Н=С3АН6 +0,4 +0,55 +1,5 +2,25 17,34

СА+10Н=САН10 +0,15 +0,2 +0,25 0,25 37,7

Таким образом, усадку цементного теста-камня за — и меж колонном пространстве скважины предотвращает увеличение прочности гидратных связей в его составе за счет снижения их полярности. Этого также можно достичь наполнением структуры гидратной воды углеводородным наполнителем или использованием расширяющих добавок на оксидной или сульфоалюминатной основе. Эффект действия расширяющих добавок обусловлен последовательностью образования в составе цементного камня гидратных структур с различной полярностью связей. Образование более неполярной гид-ратной сетки, чем существующая в цементном тесте-камне, приводит к его расширению.

Применение неэлектролитов для управления объемными изменениями цементного теста-камня необходимо вести по их способности снижать диэлектрическую проницаемость воды, т.е. по способности обеспечить воде свойства атомного вещества.

Наиболее распространенным типом вяжущего вещества при цементировании скважин, является тампонажный портландцемент. Однако его использование ограничено при повышенных и высоких

забойных температурах, а также при наличии агрессивных соединений в составе пластовых флюидов.

Соединения, слагающие цементный камень, являются соединениями включения, их стабильность определяется уровнем насыщения дисперсионных сил между гидратами кремнезема (глинозема) и заполняющей их известью. Соединения, слагающие цементный камень связаны посредством гидратного полимера. Для устойчивости подобных соединений в цементном камне должна существовать среда с пониженной диэлектрической проницаемостью. Любое изменение свойств воды (т.е. ее переход из атомного состояния в ионное или молекулярное), разрушает структуру воды в камне. Это вызывает перестройку гидратных соединений и связей их объединяющих. В связи с отводом извести из состава соединения усиливается влияние дисперсионных сил, действующих в структуре гидратных соединений. Поэтому пространственная структура на основе полимерного гидрата кремнезема (глинозема) сминается и разрушается.

С повышением температуры твердения цемента в полимерных гидратах кремнезема (глинозема) происходит синерезис, сопровождающийся заменой гидратных связей на оксидные. Образуется новая модификация соединения включения. Это изменение происходит дискретно, скачком, сопровождается перестройкой гидратных связей, что ухудшает изоляционные свойства цементного камня.

Ионно-молекулярная среда агрессивных пластовых флюидов, химические взаимодействия гидратной извести с различными соединениями из состава флюидов также приводит к ее выводу из структуры гидратных соединений. Ненасыщенность дисперсионных сил в полимерной структуре гидратов кремнезема и глинозема разрушает структуру, созданную ими. Поэтому все мероприятия, направленные на повышение устойчивости гидратной воды в цементном камне, способствуют повышению работоспособности цементного камня в скважине.

В третьей главе приведены результаты исследования процессов, происходящих в составе буровых растворов, определены основные пути по управлению их свойствами при бурении.

¿8

Набухание глины в растворах с различным структурным состоянием воды в них. Поведение глины зависит от состояния структуры воды, контактирующей с ней. Электролиты, придавая воде свойства ионно-молекулярного вещества, разрушают структуру воды. Разрушение и переупаковка водной структуры у глины снижает объем ее набухания (см. рис. 1). Возможность разрушения структуры воды у глины определяется концентрацией электролитов и размером ионов. Крупные ионы (К+, Сб*, СГ, Г и т. п.), получившие название отрицательно гидратирующих, обладают пониженной способностью взаимодействовать с молекулами воды по электростатическому механизму, но, подчиняясь действию дисперсионных сил, встраиваются в полости гидратной воды и приводят к ее гидрофоби-зации, что также уменьшает величину набухания глины. Аналогичным действием обладают и ВПК-402 (см. рис. 1).

Неэлектролиты, ориентируя молекулы воды между собой и заполняя своими углеводородными фрагментами внутренние полости связанной воды, усиливают у нее проявление свойств атомного вещества. Поэтому по отношению к глине, взаимодействующей с водой, они ведут себя двояко. При малых концентрациях усиливают набухание глины, а в больших, наоборот, подавляют. Это обусловлено строением, молекулярной массой неэлектролита и активностью воды в их растворах. Поэтому скорость впитывания воды и набухания глины в водных растворах неэлектролитов изменяются в широком диапазоне (рис. 4). В том случае, если у неэлектролита развит углеводородный радикал, то он, создавая растворы внедрения в гид-ратной воде глины (полиакриламид и поливиниловый спирт — рис.2), т.е. наполняя структурные полости воды, способствует прекращению доступа ее мономеров в глину и ограничивает скорость ее набухания. Примером этому является действие углеводородов и буровых растворов на углеводородной основе на набухание глины.

Органические соединения, растворяющиеся под действием электрических сил и придающие воде свойства ионно-молекулярного вещества (различные лигносульфонаты [ЬвБ], модификации углещелочного реагента, ПАВ), способствуют усилению набухания глины. Однако они также как и неэлектролиты могут снижать скорость набухания и диспергирования глины (см. рис. 3).

• хлористый кальций 1% д 24V»'Хлористый натрий я 0,05%-оксихлорнд алюминия

8 10

■ хлористый натрий 1 я 4% -хлористый каль • 1% -хлористый кал»

Рис. 1 Набухание глины в растворах электролитов

Время контакт с волны» распором ПАВ, час

О «ода

ОМЛ81-1'/.

XSeppacol-2%

Ж 1%LGS+0,2%HT<> (1%ПАН+0,2% НТФ)

• ГЮШ-Г/. -г 1%-КОР

Рис. 3 Набухание глины в растворах полиэлектролитов

2 4«!

Врем* контакта с распором неэлектролита

♦ •ода

ХЗ%-ДЭГ + 0,34-<л1>ш1| Н7 О О.З'/гСОЦ

■ 0.3'»-ПВС Д0,3%-КМЦ500

Ж2%-К|»хмы •013%-Ту1оя

•О, 1%-Полжжсютился •*0,3%-ПАА

Рис. 2 Набухание глины в растворах неэлектролитов

20ЧТЭА

2ОТ4ДЭГ

А 20% Гдицерщ

X 5%ДЭГ

0,00 2,00 4,00 6,00 «,00 10,00 Время контакта тайны с раствором спиртов, пЖ »ода

Рис. 4 Набухание глины в растворах спиртов

Рис. 5 Влияние молекулярной массы соединений акрилового ряда на поведение осыпающейся глины с 60% влажностью

-0-44 Сснтомип 0,12КРАС Я

Ш% РАН 1.У А 4Х бентоните 0,12% РАС К

1,13% ора

х 4% вситонята 0,12% СМС НУ 1,15* ОРв

х 4% бентонш! 0Д% СМС НУ 143* РАН IV

• 20М 4000 (ООО мое

Время, мин

Рис. 6 Влияние раствора полиакрилата натрия и жидкого стекла, совмещенных с многоатомным спиртом, а также Performa Trol на поведение осыпающейся глины с 60% влажностью

ИКПАН SL -полиакрилат натрия; F_Na- формиат натрия; PAN LV - низкомолекулярный полиакрилат натрия, совмещенный с многоатомным спиртом; DPG -деполимеризованный гидрат кремнезема; РАС R - высокомолекулярная полианионная целлюлоза; CMC HV -высокомолекулярная карбоксиметилцеллюлоза. Рис. 7 Влияние буровых растворов, содержащих по-лиакрилаты натрия, деполимеризованный гидрат кремнезема на поведение осыпающейся глины с 60% влажностью

Для оценки возможного влияния реагентов на процессы, протекающие при набухании глины, предложено пользоваться термодинамическими показателями процесса их гидратации. В качестве оценочного показателя предлагается использовать отношение энтальпии к энтропии гидратации того или иного соединения.

Для различных реагентов рассчитаны отношения сумм энтальпий гидратации отдельных фрагментов соединений (АНГ) к сумме их энтропий (ASr). Показано, что при обладании соединением отношения сумм £AHr/£ASr менее 0,3*103К обеспечивается стабилизация глинистых пород, а при больших значениях данного отношения фиксируется обратное.

Мероприятия по гидратной стабилизации глины в стволе скважины. Экспериментальная работа по повышению устойчивости глины к воздействию воды показала, что эффективно стабилизируют глину соединения, заполняющие структуру гидратной воды. В качестве подобных соединений оказались пригодны полиакрилаты натрия, формиат натрия. Эффективно также применение жидкого стекла, способствующего формированию гидратного полимера, скрепляющего слабосвязанные частицы глины. Использование по-лиакрилатов натрия или" жидкого стекла показало, что для подавления разрушения глин в воде наиболее эффективно сочетание поли-акрилатов или жидкого стекла с многоатомными спиртами. На рис 5-7 приведены данные по изменению объема образца глины в растворах полиакрилата натрия и жидкого стекла. Их эффективность сопоставима с эффективностью зарубежных аналогов (Perform Trol — рис. 6), используемых для решения этих задач.

Управление свойствами буровых растворов в строительстве скважин. Фильтрация и фильтратоотдача буровых растворов. Анализ результатов экспериментальных исследований процессов фильтрации и фильтратоотдачи буровых растворов, обработанных различными реагентами, подтвердил разработанные положения о роли водородных связей в процессах фильтрации и фильтратоотдачи. Выявлена граница прочностных свойств у структуры бурового раствора для прохождения процесса фильтрации или фильтратоотдачи. Фильтрация бурового раствора в песке протекает при величине динамического напряжения сдвига бурового раствора

более ~10Па. Уменьшение величины этого показателя приводит к разделению суспензии на дисперсионную среду и дисперсную фазу в приповерхностном слое (1-3 см) испытуемого образца. Также выявлена взаимосвязь, между способностью реагентов снижать показатель фильтрации бурового раствора и термодинамическими показателями их растворения. Показатель динамической фильтрации буровых растворов (см. рис. 8) зависит от способности реагента создавать водородные связи, а также от индукционного периода их образования.

Соединения, обладающие значением £AHr/£ASr более 0,7 103 способствуют значительному снижению статической и динамической фильтратоодачи буровых растворов. Подобное подтверждение разработанных уточнений о процессах фильтратоотдачи буровых растворов и влияние на нее свойств и поведения воды в составе дисперсных систем позволяет осуществлять направленный выбор реагентов и их синергетических сочетаний для управления показателем фильтрации буровых растворов в тех или иных условиях.

Управление реологическими свойствами буровых растворов. Изучение реологических параметров буровых растворов показывает, что на их значения оказывает влияние состав, строение и молекулярная масса реагентов, используемых для химической обработки. Анализ значений реологических параметров растворов, поведения воды в их составе позволяет сделать следующий вывод. Упрочнение воды в окружении растворенного реагента приводит к дискретности структуры бурового раствора, вследствие больших различий в прочности связи в гидратной оболочке реагента и в объеме раствора. После механического разрушения структуры раствора гидратированные соединения в процессе движения жидкости представляют собой отдельную фазу, аналогичную твердой фазе раствора. Подобным образом себя проявили CMC LV, РАС L, НИТРОН, EZ MUD, а также соединения, придающие воде свойства ионно-молекулярного вещества — КССБ-2, НТФ. Высокомолекулярные соединения более равномерно изменяют прочность воды по сравнению со своими низкомолекулярными аналогами.

Для создания псевдопластичных жидкостей с пониженными величинами псевдопластичности п<0,3, необходимо равномерно

распределять прочность водородных связей по объему раствора. Проведенные исследования показывают, что снижение величины показателя нелинейности п до 0,17-0,26 имеет место в сочетании производных целлюлозы с биополимером BARAZAN, а также с понизителями вязкости НТФ и КССБ-2 или с многатомным спиртом.

В четвертой главе рассмотрены вопросы управления свойствами буровых растворов за счет изменения технологии их приготовления, а также показана эффективность разработанных технологий в практической деятельности.

Предложен способ повышения устойчивости глины при вскрытии глинистых отложений. Он включает в себя прохождение глинистых отложений водным раствором на основе полиэлектролита катионного ВПК-402, с последующей его заменой на буровой раствор с низкой водоотдачей. При вскрытии мощных (до 400м) глинистых отложений в процессе строительства скважин на Сарай-линском месторождении Нижнего Прикамья время осложнений, связанное с разрушением стенок скважин и образованием каверн сокращено, в сравнении с базовыми скважинами, в четыре раза. Испытания подтвердили возможность управления поведением глины в стволе скважины (рис. 9). Экономический эффект от использования катионного бурового раствора при строительстве скважин на Сарай-линском месторождении составила в ценах на 1997г. 33,3 млн. рублей. Для управления поведением глины в составе бурового раствора и в стволе скважины использовались многоатомные спирты. На этой основе разработана технология получения буровых растворов, отличающаяся усиленным диспергированием глинистой составляющей. Данное мероприятие реализовывалось за счет обработки глинистой суспензии малыми концентрациями многоатомного спирта.

В 1998-2000г. в ООО «Татнефть-Азнакаевскбурнефть» велись работы по применению новых технологий получения буровых растворов, основанные на интенсификации процессов набухания и диспергирования глины с использованием многоатомных спиртов. Результаты испытаний полученного раствора показали успешность его применения в условиях месторождений АО «Татнефть». Полученные растворы обладали пониженными величинами фильтратоот-дачи ~2-3 см3/30 мин, значениями пластической вязкости 8-14сПз,

и а

f 2,0 fS £ s

2 £ 1,5 8 s

7 о

i i ^

ее g

4 S"

g o,o

*чПо/|иакрилат натрия

X ™

" КарббкШметВДёллШ^п^^"'

ЛигносуЛьфонат, Квебрахо

0,07

0,72

0,86

0,88

dH/dS *103, к:1

Рис. 8 Влияние термодинамических параметров процесса растворения реагентов на динамическую фильтрацию бурового раствора

{аавяыс ем.ин cx«-s*u

3«тммпяаим екс.змя «>

пня ж—

1 ■ i-4~ l !

-! ^ * —-44- t - 1 i -

\lt ? -1-|--1-j-

U-Ol-i-ч .J-- i ______i----j

1 1 1 1 = i

-ZtgT-L:: -i---i---1—

=Шч- -L-i-1--i-

— -nj—г- -1-j-1-j—

----------j ; с 1 ' 1 Г- —---------—.—

Рис. 9 Кавернограмма ствола скважин, пробуренных на Сарайлин- Рис. 10 Кавернограмма ствола кондуктора ской площади скважины №1 Северо-Каменномысская

чЗо

величиной динамического напряжения сдвига 8-12Па. Эти параметры позволяют утверждать об их улучшенной способности к выносу разбуренной горной породы из ствола скважины и пониженной проникающей способностью в продуктивный пласт.

Буровой раствор и технология получения бурового раствора с пониженной диэлектрической проницаемостью, включающая растворение в составе бурового раствора 8-30% многоатомного спирта использовалась в процессе строительства разведочных скважин №1 Северо-Каменномысская и №1 Каменномысская с СПБУ «Мурманская». Работы велись ФГУП «Арктикморнефтегазразведка». Разрез скважины характеризуется отложениями глины с высокой гидрата-ционной активностью. В процессе бурения, по данным каверномет-рии, удалось снизить величину кавернозности до значения не более 1,07. Кавернограмма ствола кондуктора по скважине №1 Северо-Каменномысская приведена на рис. 10. Ствол скважины под эксплу-тационную колонну на обеих скважинах показал совпадение по величине кавернозности.

Пятая глава посвящена разработке и исследованию мероприятий по управлению свойствами тампонажных цементов, раствора и камня на их основе для повышения герметичности крепи скважин. Показаны результаты апробации разработанных мероприятий в промысловой практике.

Замедление сроков схватывания тампонажных растворов. Исходя из разработанных положений о процессах, протекающих при гидратации цемента, его замедлителями являются органические кислоты. Они снижают возможность полимеризации гидрата кремнезема и затрудняют процесс формирования соединений включения, т.е. гидратных соединений, слагающих цементный камень. Поэтому подбирать и оценивать эффективность действия кислот — замедлителей твердения цемента можно по их атомности (т.е. по числу гидроксилов, входящих в состав кислоты, включая и входящие в состав карбоксильных групп). Подтверждение этому можно найти в обобщенных нами результатах изучения влияния различных добавок на время схватывания цементного раствора-теста при высоких температурах. Наиболее эффективны органические кислоты, обладающие числом атомности более 4.

2 3 4 5

Атомность оргявпесм)! кхлоты

Рис. 11 Влияние атомности органических кислот на схватывание цемента

2<ЗД>М

I ^-r.it

5,1 ГМ* 1 ^гП

но, Дж/г

Ш ппп, %

Вр«а,ииш

М5%ЛК

□ Са(ОН)2,

"—Ж—"Исходный трехкальциевый силикат 'С добавлением 0,05% винной кислоты 'С добавление 0,05% лимонной кислоты

Рис. 12 Влияние винной и лимонной кислоты на кинетику тепловыделения при гидратации трехкальциевого силиката Таблица 2 Влияние горелой породы на свойства раствора

камня на основе цементно-кремнеземистых смесей

Песок, % Горелая порода, % В/Ц Л см Р>з кг/м т, С Т 1заг> Ч- мин Я24изг, Мпа

Вяжущее вещество: феррохромовый шлак (60%)

35 5 0,6 23 1740 160 7-30 6,6

33 7 0,6 22 1740 180 6-10 6,5

Вяжущее вещество: ПЦТ-Д2 3-50 (6 0%)

30 10 0,5 22 1840 120 6-40 8,5

20 20 0,5 20 1800 150 6-00 10,2

Рис. 13 Влияние винной и лимонной кислоты гидратацию трехкальциевого силиката

Г4

Из рис. № 11 видно, что при повышении атомности в составе органических кислот с трех до четырех, происходит качественный скачок, значительно увеличивающий их эффективность. Это подтверждает то положение, что с упорядочиванием структуры воды усиливается замедляющее действие органических кислот. Анализ термокинетических исследований методом дифференциальной калориметрии показывает, что органические кислоты затрудняют именно формирование соединений включения и соответственно гидратную полимеризацию в цементном тесте (рис. 12-13).

Изучение экспериментальных результатов процессов гидратации и твердения клинкерных минералов, цемента в присутствии горелой породы методами рентгеноструктурного, диффиренциаль-нотермического и микрокалориметрического анализов, показало возможность замедления сроков схватывания тампонажных цементов добавками горелой породы (табл. 2). Горелая порода, а точнее силикат алюминия из ее состава, предотвращает возможность формирования гидратных соединений на основе гидратов кремнезема и извести.

Разработанные предложения использовались в практической деятельности. В 1990-1991 гг. при цементировании Утвинской и Деркульской сверхглубоких скважин в АО «Недра» использовались мероприятия по получению термостойких тампонажных цементов и методы управления скоростью их затвердевания. В 1997-1998 гг. в АО «Татнефть» при цементировании кондукторов велись работы по применению солевой смеси в качестве ускорителя отверждения цемента. Испытания показали возможность, и целесообразность применения солевой смеси при цементировании скважин.

Управление объемными изменениями цементного теста-камня. Экспериментально доказано, что увеличение полярности связей в воде цементного теста-камня снижает эффективность действия расширяющих добавок (см. рис. 14), а насыщение структуры воды углеводородами повышает физико-механические свойства цементного камня.

Изучалась также контракция при твердении тампонажного раствора на основе портландцемента и сополимера полиакрилата натрия и акриламида, а также влияние на свойства цементного раствора-камня различных неэлектролитов. Проведенные работы

Время, час

О 5% НРС О 5% НРС+15% №С1

Рис. 14 Влияние поляризации связей воды в цементном тесте-камне на действие расширяющей добавки

Вредос N82003

Рис. 16 Расширение цементного теста-камня при использовании неэлектролитовв качестве расширяющих добавок

Время гидратации, час

ОПЦТ-Д20-50 ЖГИВПАН4*/. • ГИВПАН 4% Сода 0,4%

Рис. 15 Контракция при гидратации ПЦТ-Д20-50 в присутствии реагента ГИВПАН (СТК), Т=20С

Рис. 17 Качество цементирования скважин по оценкам акустической цементометрии при управлением полярностью связей в цементном камне

позволили установить, что неэлектролиты способны снижать контракцию и тем самым предотвращать усадку и увеличивать объем цементного теста-камня в за и межколонном пространстве скважин.

На основе реализации положения о возможности упрочнения структуры гидратной воды за счет ее заполнения углеводородными фрагментами различных реагентов получены тампонажные растворы с добавками многоатомных спиртов, сополимера акриловой кислоты и полиакриламида (ГИВПАН), оксиэтилцеллюлозы и др. Реагенты придают раствору свойства тиксотропии, снижают контракцию (см. рис. 15), а тесто-камень обладает эффектом расширения в пределах 0,3-1,2% (см. рис. 16).

Разработанные мероприятия использовались при цементировании скважин. На скважинах 4-Имашевская использовался тампо-нажный раствор с управляемой контракцией по а.с. СССР № 1448028, его применение позволило обеспечить, по данным АКЦ до 75% «хорошего» сцепления против 15% в базовой скважине. В 19911993 г., в АО «Татнефть» проводились работы с применением расширяющихся добавок. Данные АКЦ показали наличие «хорошего» сцепления от 75-100% против 65-70% в базовых скважинах (рис. 17).

С 1996г. ведется применение водорастворимых соединений для управления объемными изменениями цементного камня. В качестве подобных соединений использовались: сополимер полиакрила-та натрия и акриламида (Гивпан), пластификатор фирмы BASF «Се-паккол», многоатомные спирты. При их использовании достигнуто, по данным АКЦ, до 95% сцепление с оценкой «хорошо» (рис. 17). Экономический эффект на одну скважину составил 111 миллионов руб. в ценах 1997г. Прибыль, остающаяся в распоряжении предприятий на одну скважину, составила 72 миллионов руб.

Повышение устойчивости цементного камня в гидротермальных условиях глубоких скважин. К мероприятиям, повышающим устойчивость цемента в гидротермальных условиях, следует отнести формирование в структуре цементного камня на основе высокоосновных соединений дополнительного количества соединений на основе гидрата кремнезема с пониженным содержанием извести. Это позволяет избежать ухудшения свойств цементного кам-

ня при прохождении процессов перестройки гидратных связей за счет замозалечивания его структуры.

Проведенная экспериментальная работа показала, что это положение подтверждается при твердении портландцемента и глиноземистого цемента (см. рис. 18, 21). Данные положения не соблюдаются в композициях на основе смесей белита и извести с кремнеземом (рис. 18, 20).

Проведенные исследования позволили разработать тампо-нажный состав для крепления скважин в условиях повышенных температур на основе портландцемента и его смесей с кремнеземсо-держащим компонентом при отношении СаО/БЮг в своем составе равном 1,5...1,6. Он использовался при установке цементных мостов на сверхглубокой скважине № 20009 и показал свою эффективность при ее строительстве.

Разработан тампонажный состав на основе вяжущего алю-минатного твердения и портландцемента для повышения устойчивости камня на его основе к действию температур.

Мероприятия по повышению устойчивости тампонаж-пых цементов к действию высокоагрессивных кастовых флюидов. Стабильность соединений, слагающих цементный камень и самого камня, зависит от скомпенсированности дисперсионных сил в их структуре. Максимальному насыщению дисперсионных сил в структуре соединений способствует появление дополнительного наполнителя. Дополнительным наполнителем к гидрату извести в структурах на основе полимерного гидрата кремнезема, является гидрат глинозема. Совместное переплетение этих сеток значительно повышает устойчивость гидратных связей.

Подобные соединения известны в природе и именуются алюминатными гидрогранатами или гидрогроссулярами, они представляют собой соединения в ряду ЗСа0*А1203*6Н20-ЗСаО*А12Оз*38Ю2.

Экспериментальное изучение образования соединений в системах Са0-А1203-8Ю2-Н20 методами рентгеноструктурного, инфракрасного и микроструктурного анализов показало, что высокие прочностные показатели цементного камня соблюдаются в смесях низкоосновных алюминатов кальция с. трехкальциевым

3,00 2,75 2,50 2,25 2,00 1,75 1Д0 1,25 1,00 0,75 0,50 0,25 0,00

¡ия_бел1гт, % влит, %

Рис. 18 Состав и свойства цементного камня на основе С38 в присутствии кремнезема

А12С8;»02 ХСЗА<С25+5 ЖСШ+АНЗ^

Рис. 20 Влияние последовательности совмещения гидратных структур с различной полярностью связей в них на прочность цементного камня (С3А-рС28-8, СН2-АН3-8)

В/Ц-0,5; Т-150С; 1-24 час.

Состаа компожции, рассчитанной на получение гадрогроссуллроа

Рис. 19 Влияние стадийности образования гвдро'

юссуляров на прочность цементного камня

Рис. 21 Микроструктура образцов камня на основе алюминатов кальция, образовавшегося при 15 ОС (увеличение х2000)

силикатом, реализующих в своем составе одновременное взаимодействие гидратов глинозема, кремнезема и извести (рис. 19, 21). Высокие значения прочности получены и при последовательном образовании гидрогроссуляров и гидратов кремнезема с пониженным содержанием извести (рис. 21). Разработан гидрогранатный тампо-нажный цемент, состоящий из тампонажного портландцемента и высокоглиноземистого цемента.

Предлагаемый цемент твердеет с образованием высокопрочного и непроницаемого камня, обладает высокой устойчивостью к НгЭ, СО2 в газообразном и растворенном виде. Мероприятия по управлению стабильностью цементного камня использовались в различных горно-геологических условиях. В 1986г. была выпущена опытная партия гидрогранатного компонента для тампонажного портландцемента. Ее применение осуществлялось в АО «Атырау-нефтегазразведка» (Казахстан). По данным АКЦ (акустической це-ментометрии) качество цементирования скважин характеризующееся хорошим и частичным сцеплением составляет 85%.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. Существующие подходы к формированию свойств буровых и тампонажных растворов не всегда позволяют успешно решать технические проблемы строительства скважин в интервалах, представленных неустойчивыми глинистыми отложениями, повышенными температурами, высокой агрессивностью пластовых флюидов и т.д. Это обусловлено односторонностью представлений о воде в их составе. Ее рассматривают только как жидкость, обладающую свойствами ионно-молекулярного вещества. Это положение противоречит известным положениям о состоянии воды в природе и затрудняет нахождение новых, эффективных путей для управления техническими свойствами буровых и тампонажных растворов для обеспечения герметичности ее крепи.

валентных. В соответствии с изменением свойств водородных связей изменяют свои физические свойства и растворы — суспензии на основе воды.

Глина представляет собой соединение включения на основе гидратов глинозема и кремнезема, строение и свойства которой определяется их соотношением между собой. Процесс взаимодействия воды с глиной, включающий в себя всасывание воды и заполнение гидросиликатной оболочки мономерами воды приводит к образованию у глины гидрат-ной и гелевой воды. В результате этого происходит набухание и последующее диспергирование глины. Управление свойствами и поведением глины в составе глинистых отложений, буровых растворов сводится к управлению состоянием водородных связей в их составе путем введения в буровой раствор различных реагентов.

Реагенты, необходимые для изменения технологических свойств суспензий, должны выбираться, исходя из их действия на структуру воды. В качестве критерия оценки действия реагентов предложено использовать отношение суммы энтальпий процесса гидратации отдельных фрагментов соединений к сумме их энтропийных вкладов. При отношении

— реагенты подавляют набухание глины, при £ДНГ/£Д8Г>0,3-103К — реагенты усиливают набухание и пептизацию глины в воде и улучшают показатель фильтрации суспензий.

Для стабилизации ствола скважины были предложены и показали свою успешность: раствор катионного полиэлектролита ВПК-402, предотвративший гидратационное разрушение глинистых отложений; буровые растворы на основе многоатомных спиртов. Разработан и внедрен РД 39 - 0147585 -158-97.

Процесс гидратации цемента включает в себя: гидролиз составляющих цемента, растворение продуктов гидролиза и их гидратную полимеризацию. Для управления скоростью прохождения гидратной полимеризации в различных термобарических условиях целесообразно использовать: для ускорения

- солевую смесь, являющуюся побочным продуктом производства соды; для замедления - органические кислоты с числом атомности более четырех, а также продукты, содержащие в своем составе силикаты алюминия.

8. Соединения, слагающий цементный камень, являются соединениями включения, сложенные на основе полимерных гидратов кремнезема или глинозема с гидратной известью. Объемные деформации цементного теста-камня обусловлены полярностью связей в гидратном полимере. Полярностью гид-ратных связей и объемными изменениями цементного теста-камня можно управлять за счет растворения в гидратной воде углеводородов или углеводородных групп неэлектролитов.

- 93 «Технология изоляции зон интенсивного поглощения бурового раствора с использованием тиксотропной тампо-нажной композиции»; временная инструкция «Технология цементирования обсадных колонн с использованием расширяющих добавок в портландцемент»

10. Изменение состава соединений в цементном камне, при различных видах агрессивного воздействия на цементный камень в условиях глубоких скважин (температура, агрессивные пластовые флюиды), обусловлено изменением условий существования извести в цементном камне и усилением действия дисперсионных сил в структуре гидратных полимеров кремнезема и глинозема. Вследствие подобных процессов происходит ухудшение изоляционных свойств цементного камня в за - и меж колонном пространстве скважин.

11. Предотвратить процессы перестройки гидратных связей в объеме цементного камня возможно при увеличении устойчивости гидратного полимера к условиям окружающей среды. Это достигается созданием в объеме камня дополнительного количества гидратных связей или соединений с максимальным насыщением дисперсионных сил в них (гидрогрос-

суляры). На основании этого разработаны и предложены различные составы на основе тампонажного портландцемента, расширяющие область его применения в различных геолого-технических условиях.

Основные положения диссертационной работы отражены в

следующих печатных работах:

1. Буровые и тампонажные растворы. Теория и практика. /Шарафутдинов 3.3., Чегодаев Ф.А., Шарафутдинова Р.З. — Санкт-Петербург: Профессионал, 2006, 700 е.;

2. Коррозионная стойкость тампонажного материала для широкого интервала температур в условиях сульфатной агрессии. /Овчинников В.П., Кузнецов Ю.С., Шарафутдинов 3.3. //В сб.: Технология бурения нефтяных и газовых скважин. — Уфа, 1985, С. 57-60;

3. Теоретические предпосылки получения термо-коррозионностокого вяжущего. /Шарафутдинов 3.3., Агзамов Ф.А., Мавлютов М.Р. //В сб.: Технология бурения нефтяных и газовых скважин. - Уфа, 1985, С. 120-129;

4. Возможности повышения долговечности цементного камня на основе вяжущих алюминатного твердения. /Кравцов В.М., Агзамов Ф.А., Шарафутдинов 3.3., Запрудский Ю.Б. //Техника и технология геологоразв. работ орг. — пр-ва. Отеч. Произв. Опыт. Экспресс-информация, №9, ВИЭМС, 1987, С. 7-10;

5. Влияние фазовых превращений в системе СаО-АЬОз-БЮг-НгО на прочность образующегося камня. /Шарафутдинов 3.3., Мавлютов М.Р., Агзамов Ф.А. //В сб.: Технология бурения нефтяных и газовых скважин. - Уфа, 1987 г., С. 20-24;

6. Проектирование самоармированных структур тампонажного камня. /Шарафутдинов 3.3., Шатов A.A., Фисенко А.К., Давидюк В.И. //В сб.: Промывка и крепление скважин - Уфа, 1987 г., С. 83-88;

7. Регулирование процессов гидратации тампонажных цементов /Шарафутдинов 3.3., Паринов П.Ф. // В сб.: Технология бурения нефтяных и газовых скважин — Уфа,1989 г., С. 103-113;

8. Ре1улирование гидратационной активности шлаковых цементов при креплении геотермальных скважин /Шарафутдинов 3.3.,

Шакиров Р.Г. // В сб.: Технология бурения нефтяных и газовых скважин-Уфа, 1990, С. 90-94;

9. Солевые и тампонажные композиции на основе отходов содового производства /Шатов A.A., Данюшевский B.C., Овчинников В.П., Шарафутдинов 3.3. //Башкирский химический журнал, АН РБ, изд-во РЕАКТИВ, т.2, выпуск 2, 1995, С. 53-57;

10. Управление гидратационной активностью портландцемента при креплении скважин /Шарафутдинов 3.3., Мавлютов М.Р., Чего-даев Ф.А. //Башкирский химический журнал, АН РБ, изд-во РЕАКТИВ, т.2, выпуск 3-4, 1995, С. 61-64;

11. Тампонажные цементы, применяемые на нефтяных месторождениях АО «Татнефть» /Катеев И.С., Шарафутдинов 3.3., Гилязет-динов З.Ф. //Геология, разработка и эксплуатация нефтяных месторождений Татарстана — Бугульма, 1996 г., С. 131-136;

12. Управление свойствами дисперсных систем в строительстве скважин для эффективной их эксплуатации. /Шарафутдинов 3.3., Гилязетдинов З.Ф., Катеев Р.И. // В сб.: Материалы семинара — дискуссии «Проблемы первичного и вторичного вскрытия пластов при строительстве и эксплуатации вертикальных, наклонных и горизонтальных скважин» (г. Уфа, 5-6 октября 1996 г.). Уфа: изд-во УГНТУ, 1998, С.37-41;

13. Гидратная полимеризация и формы ее проявления в горном деле. /Шарафутдинов 3.3., Чегодаев Ф.А., Мавлютов М.Р. // Горный вестник, №4, 1998, С.153-154;

14. Управление свойствами дисперсных систем при строительстве скважин. /Шарафутдинов 3.3., Мавлютов М.Р., Чегодаев Ф.А., Гилязетдинов З.Ф. //В сб.: ЕЖЕГОДНЫЙ МЕЖДУНАРОДНЫЙ КОНГРЕСС «Новые высокие технологии для нефтегазовой промышленности, энергетики и связи». Т. 7, Москва, 1998, С. 263274;

15. Карбамидная депарафинизация нефти /Чегодаев Ф.А., Шарафутдинов 3.3., Сыркин A.M. — Нефтепереработка и нефтехимия, М.: ЦНТИИТЭнефтехим, 1998, №7, С. 33-37;

16. Опыт применения гликоль-полимерного бурового раствора в строительстве скважин на Обской губе /Мандель А.Я., Акопян

Э.Б., Апанович А.Ю., Мавлютов М.Р., Шарафутдинов 3.3. //Вестник Ассоциации буровых подрядчиков - М.: 2001, С.

17. Управление поведением глинистых отложений при строительстве скважин /Шарафутдинов 3.3., Мавлютов М.Р., Чегодаев Ф.А., Мандель А .Я. //Научно-технические достижения газовой промышленности: Сб. науч. Тр. - Уфа: Изд-во УГНТУ. 2001, С. 5877;

18. Физико-химические аспекты управления фильтрационными свойствами дисперсных систем в бурении скважин /Шарафутдинов 3.3., Мавлютов М.Р., Чегодаев Ф.А., Федоров В.А., Салихов З.С. //Научно-технические достижения газовой промышленности: Сб. науч. тр. — Уфа: Изд-во УГНТУ. 2001, С. 78-89;

19. Проектирование строительства скважин для подводных переходов магистральных нефтепроводов в ОАО «АК «ТРАНСНЕФТЬ» /Спектор Ю.И., Скрепнюк А.Б., Овчинников Н.Т., Шарафутдинов 3.3. //Нефтегазовое дъло - Уфа: 2003, С. 153-167;

20. Буровые растворы на водной основе и управление их реологическими параметрами /Шарафутдинов 3.3., Шарафутдинова Р.З. //Нефтегазовое дело — Уфа: 2004, 16 с;

21. Шарафутдинов 3.3. Вода, ее влияние на физико-механические свойства глины и пород ее, содержащих //Нефтегазовое дело — Уфа: 2004, 6 е.;

22. Проектирование технологии строительства скважин для подводных переходов магистральных нефтепроводов /Спектор Ю.И., Скрепнюк А.Б., Шарафутдинов 3.3. — Трубопроводный транспорт нефти, 2004, №9, С. 5-8;

23. Предотвращение осложнений в процессе строительства скважин для подводных переходов магистральных нефтепроводов /Спектор Ю.И., Скрепнюк А.Б., Шарафутдинов 3.3. - Трубопроводный транспорт нефти, 2004, №12, С. 2-4;

24. Управление реологическими свойствами буровых растворов /Филиппов Е.Ф., Нифонтов Ю.А., Николаев Н.И., Шарафутдинов 3.3. // Заканчивание и ремонт скважин в условиях депрессии

на продуктивные пласты: Сб. научн. тр. - Краснодар: «НПО Бурение», 2004, вып. 12, С. 83-95;

25. Буровые растворы в строительстве скважин для подводных переходов магистральных нефтепроводов /Спектор Ю.И., Скреп-нюк А.Б., Шарафутдинов 3.3. — Трубопроводный транспорт нефти, 2005, №2, С. 23-26;

26. Шарафутдинов 3.3. Создание реологических свойств буровых растворов, обеспечивающих безопасность процесса бурения /Записки горного института, СПГГИ (ТУ) - СПб: №167, 2005, 5с.

27. Шарафутдинов 3.3. Диалектическая взаимосвязь между межмолекулярными силами и их влияние на состояние воды. /Записки горного института, СПГГИ (ТУ) - СПб: № 163, 2005, 5с.

28. Шарафутдинов 3.3. Гидратная полимеризация и гидратация цемента. /Народное хозяйство Республики Коми. Научно-технический журнал // Материалы 3-ей межрегиональной научно-практической конференции: «освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» — Воркута-Сыктывкар-Ухта, т.14, №1, С. 145-150.

29. Шарафутдинов 3.3. Управление устойчивостью буровых растворов к воздействию соленасыщенных пластовых вод для проведения геофизических исследований в скважинах. / Записки горного института, СПГГИ (ТУ) - СПб: №, 2005, 5с.

30. A.c. № 1035195. Вяжущее для приготовления тампонажных растворов /Кравцов В.М., Трутнев Г.А., Мавлютов М.Р., Кузнецов Ю.С., Агзамов Ф.А., Овчинников В.П., Шарафутдинов 3.3. Опубл. 15.08.83 БИ №30;

31. A.c. № 1090850. Облегченный тампонажный материал /Кравцов В.М., Глуховцев О.В., Трутнев Г.А., Агзамов Ф.А., Игнатьев Н.И., Шарафутдинов 3.3., Ибраев Т.И. Опубл. 07.05.84 БИ №17;

32. A.c. №1448028. Способ приготовления облегченных тампонажных растворов на основе извести /Мавлютов М.Р., Агзамов Ф.А., Васильев В.В., Шарафутдинов 3.3., Хаиров Г.Б., Ванявкин Б.П. Опубл. 30.12.88 БИ №48;

33. A.c. №1481378. Способ снижения проницаемости пластов /Мавлютов М.Р., Шакиров Р.Г., Васильев В.В., Шарафутдинов 3.3., Муфазалов Р.Ш., Смажелюк С.С. Опубл. 23.05.89 БИ №19;

34. A.c. №1543048. Способ цементирования обсадных колонн /Агзамов Ф.А., Васильев В.В., Мавлютов М.Р., Насыров Р.З., Шакиров Р.Г., Муфазалов Р.Ш., Шарафутдинов 3.3. Опубл. 15.02.90 БИ №5;

35. A.c. Способ получения белитового вяжущего /Агзамов Ф.А., Шарафутдинов 3.3., Шакиров Р.Г., Фисенко JI.K., Васильев В.В., Кузнецов Ю.С., Шатов A.A. Опубл. 23.05.90 БИ №19;

36. A.c. №1596072. Тампонажный состав /Шарафутдинов 3.3., Агзамов Ф.А., Васильев В.В., Шакиров Р.Г., Фисенко J1.K., Кузнецов Ю.С., Давидюк В.И., Лосев Ю.М. Опубл. 30.09.90 БИ №36;

37. A.c. №1654538. Тампонажный состав /Агзамов Ф.А., Шарафутдинов 3.3., Васильев В.В., Шакиров Р.Г., Быстрое М.М., Каримов Н.Х. Опубл. 15.06.91 БИ №25;

38. A.c. №1670095. Способ цементирования скважин /Агзамов Ф.А., Васильев В.В., Насыров Р.З., Шарафутдинов 3.3., Шакиров Р.Г., Журавлев Г.И., Добриднев В.П. Опубл. 15.08.91 БИ №30;

39. Патент РФ №2072027 Тампонажный состав /Шатов A.A., Шарафутдинов 3.3. Опубл. 20.01.97 БИ №8;

40. Патент РФ № 2083800. Реагент для обработки тампонажного раствора /Мавлютов М.Р., Шарафутдинов 3.3., Катеев И.С., Фат-куллин Р.Х., Жжонов В.Г. Опубл. 10.12.97 БИ №19.

РИЦ СПГГИ. 18.04.2006. 3.146. Т. 100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Содержание диссертации, доктора технических наук, Шарафутдинов, Зариф Закиевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Состояние крепи скважин в процессе их эксплуатации

1.2 Технические проблемы, существующие в строительстве скважин для создания герметичной крепи скважин

1.3 Существующие представления об управлении поведением буровых растворов в строительстве скважин и о процессах, протекающих в них

1.3.1 Промывка скважины и реологические свойства буровых растворов, необходимые в процессе бурения

1.3.2 Основные представления о фильтрационных процессах и фильтрационных свойствах буровых растворов

1.3.3 Технические мероприятия, реализуемые для повышения устойчивости ствола скважины при бурении в глинах

1.4 Существующие представления об управлении поведением тампонажных растворов в строительстве скважин и о процессах, протекающих при твердении цемента

1.4.1 Управление свойствами тампонажных растворов

1.4.2 Влияние органических соединений на схватывание цемента и представления об их действии на процесс гидратации цемента

1.4.3 Структура цементного раствора-камня и ее влияние на свойства камня

1.4.4 Устойчивость цементного камня в различных термодинамических условиях и используемые тампонажные цементы

1.4.5 Коррозия цементного камня и коррозионная стойкость существующих цементов

1.5 Представления о свойствах межчастичных сил и их влияние на структуру различных веществ

1.5.1 Силы, действующие между атомами

1.5.2 Межчастичные силы

1.5.3 Водородные связи

1.5.4 Взаимодействия в реальных веществах и их структура

1.6 Представления о структуре и свойствах составляющих буровых и тампонажных растворов

1.6.1 Структурные модели жидкой воды

1.6.2 Существующие представления о строении глины

1.6.3 Существующие представления о гидратации глины и состоянии воды в ней

1.6.4 Цемент, его составляющие и их гидратация

1.6.5 Соединения, слагающие цементный камень и влияние последовательности их образования на свойства цементного камня

1.7 Анализ состояния вопроса и постановка задач исследования

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ

ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА ПРЕДСТАВЛЕНИЙ ОБ УПРАВЛЕНИИ СВОЙСТВАМИ БУРОВЫХ И ТАМПОНАЖНЫХ РАСТВОРОВ НА ВОДНОЙ ОСНОВЕ ПУТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ СОСТОЯНИЯ ВОДЫ В НИХ. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ НА ВОДНОЙ ОСНОВЕ

2.1 Действие межчастичных сил в воде. Особенности ее поведение в контакте с компонентами буровых и тампонажных растворов

2.1.1 Структура жидкой воды

2.1.2 Водородные связи в воде и гидратная полимеризация

2.1.3 Гидратные полимеры

2.1.4 Поведение воды в присутствии различных соединений

2.2 Структура глины и воды в ней. Управление поведением глины

2.2.1 Уточнение представлений о структуре глины

2.2.2 Гидратация глины и состояние воды в ней

2.2.3 Структура воды в глине, ее влияние на физико-механические свойства и поведение глины в скважине.

2.2.4 Управление поведением глины в контакте с водными средами

2.2.5 Гидратная стабилизация глины в скважине

2.2.6 Управление поведением глины в составе буровых растворов

2.3 Управление процессами, протекающими в буровых растворах при строительстве скважин

2.3.1 Действие межчастичных сил в буровом растворе и реологические свойства буровых растворов

2.3.2 Процессы, протекающие при растворении реагентов и их влияние на реологические свойства буровых растворов

2.3.3 Влияние воды на процессы фильтрации и фильтратоотдачи буровых растворов

2.4 Влияние воды на процессы, происходящие при гидратации цемента

2.4.1 Продукты гидратации цемента и их свойства

2.4.2 Поведение воды в процессах, происходящих при гидратации цемента и его отверждении

2.4.3 Управление состоянием воды для ускорения сроков схватывания тампонажных цементов

2.4.4 Управление состоянием воды в составе цементного раствора для замедления схватывания тампонажных цементов

2.4.5 Влияние состояния воды в цементном тесте-камне на объемные изменения в цементном растворе-камне

2.4.6 Влияние состояния воды на усадочные деформации цементного теста-камня. Управление состоянием связей воды для расширения цементного камня в за - и межколонном пространстве скважин

2.4.7 Влияние состояния воды в цементном камне на его гидротермальную устойчивость

2.4.8 Мероприятия по обеспечению применимости тампонажного портландцемента при повышенных и высоких температурах

2.4.9 Рабочая гипотеза повышения устойчивости цементного камня к агрессивным пластовым флюидам

2.5 Методы исследования буровых и тампонажных растворов на водной основе

2.5.1 Методы проведения исследований

2.5.2 Материалы, применяемые для проведения исследований свойств буровых и тампонажных растворов

2.5.3 Методика обработки результатов экспериментов 188 ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕРОПРИЯТИИ ПО УПРАВЛЕНИЮ

ПОВЕДЕНИЕМ ГЛИНЫ В ПРОЦЕССЕ СТРОИТЕЛЬСТВА СКВАЖИНЫ

3.1 Исследование влияния структурного состояния воды на набухание глины в воде

3.1.1 Набухание глины в водных растворах высокомолекулярных соединений-неэлектролитов

3.1.2 Влияние на набухание глины водных растворов полярных органических соединений, обладающих поверхностной активностью

3.1.3 Набухание глины в водных растворах солей

3.2 Выбор соединений, управляющих состоянием воды, для стабилизации глины в скважине

3.2.1 Термодинамика процессов растворения реагентов, используемых для обработки буровых растворов

3.2.2 Оценка термодинамических факторов, определяющих процесс растворения реагентов

3.3 Разработка ингибиторов разрушения глины

3.3.1 Разработка реагентов, управляющих поведением глины в стволе скважины на основе полиакрилатов натрия

3.3.2 Разработка состава реагентов, управляющих поведением глины в стволе скважины на основе жидкого стекла

3.3.3. Гидратные стабилизаторы глины на основе солей низкомолекулярных органических кислот

3.4 Промывка скважин и реология буровых растворов

3.4.1 Исследование влияния реагентов на реологические параметры буровых растворов

3.4.2 Исследование влияния сочетаний реагентов на реологические свойства буровых растворов

3.5 Управление фильтрационными свойствами буровых растворов

3.5.1 Анализ поведения буровых растворов в процессе фильтрации

3.5.2 Влияние состояния воды в буровом растворе на фильтрационные потери буровых растворов

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ

ГЛАВА 4 ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ БУРОВЫХ РАСТВОРОВ, УПРАВЛЯЮЩИХ СОСТОЯНИЕМ СТВОЛА СКВАЖИНЫ

4.1 Технологии получения и применения буровых растворов для вскрытия глинистых отложений

4.1.1 Технология разбуривания глинистых отложений с использованием водных растворов соединений, укрепляющих глину

4.1.2 Буровые растворы для бурения в глинистых отложениях

4.2 Управление фильтрационными и структурно-механическими свойствами буровых растворов при строительстве скважин

4.3 Применение разработанных технико-технологических мероприятий по управлению техническими свойствами буровых растворов в практике строительства скважин

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ

ГЛАВА 5 РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕРОПРИЯТИЙ ПО УПРАВЛЕНИЮ СВОЙСТВАМИ ТАМПОНАЖНЫХ РАСТВОРОВ

5.1 Исследование и разработка ускорителей затвердевания тампонажных цементов

5.2 Замедлители схватывания цемента

5.2.1 Действие водорастворимых замедлителей на процессы гидратации цемента и их эффективность

5.2.2 Действие твердых замедлителей на процессы, протекающие при гидратации цемента

5.3 Управление объемными изменениями цементного теста-камня

5.3.1 Управление объемными деформациями цементного теста-камня за счет упрочнения гидратной воды цемента

5.3.2 Влияние реагентов на объемные изменения и физико-механические свойства цементного раствора-камня

5.4 Повышение гидротермальной устойчивости цементного камня в за -и межколонном пространстве скважин

5.4.1 Совместимость гидратных структур цементного камня при повышенных и высоких температурах

5.4.2 Совместимость гидратных структур в составе цементного камня на основе глиноземистых цементов

5.5 Повышение устойчивости цементного камня в присутствии высокоагрессивных пластовых флюидов

5.5.1 Разраработка компонентного состава гидрогранатного цемента

5.5.2 Состав тампонажного цемента гидрогранатного твердения

5.5.3 Свойства тампонажного цемента гидрогранатного твердения

5.5.4 Коррозионная стойкость цементного камня на основе тампонажного цемента гидрогранатного твердения в условиях воздействия газообразного и растворенного H2S и С

5.6 Применение методов управления тампонажными растворами в строительстве скважин

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Управление технологическими параметрами буровых и тампонажных растворов изменением структурного состояния дисперсионной среды"

Актуальность проблемы

Разработка новых подходов к управлению свойствами буровых и тампонажных растворов в сложных горно-геологических условиях во многом осложнена недостаточной изученностью влияния свойств воды на их технические свойства. Традиционно в химии буровых и тампонажных растворов воду рассматривают только как ионно-молекулярное вещество, в то время как она также способна проявлять свойства атомных и металлических веществ. В зависимости от того, свойства какого вещества проявляет вода, в значительной мере изменяются и технические свойства жидкостей, используемых в строительстве скважин. Поэтому, необходимо направленно управлять состоянием воды в составе буровых и тампонажных растворов, для предотвращения различных осложнений в строительстве и длительной эксплуатации скважин, обеспечения максимальной отдачи нефти из продуктивного пласта.

Диссертационная работа выполнялась в рамках Межвузовской научно-технической программы П.Т.467.95 «Комплексные решения проблемы разработки, транспорта и глубокой переработки нефти и газа», утвержденной приказом Госкомвуза России от 20.09.96 №468; программы «О развитии нефтяной промышленности Республики Татарстан до 2000 года» протокол заседания ЦКР Минтопэнерго от 01.10.96; «Экологическая безопасность при добыче нефти на юго-востоке Республики Татарстан», утвержденная генеральным директором АО «Татнефть» от 15.10.96.

Идея работы - целенаправленное управление технологическими свойствами буровых и тампонажных растворов путем изменения состояния связей воды в их составе.

Задачи исследований

3. Уточнение и дополнение представлений о строении глины, гидратных соединений, слагающих цементный камень и о процессах, протекающих при гидратации глины и цемента.

5. Разработка технологических мероприятий по получению и применению технологических жидкостей на водной основе в строительстве скважин, характеризующихся залеганием неустойчивых глинистых отложений и агрессивных термодинамических условий строительства скважин.

6. Промысловые испытания, разработка нормативно-технической документации и оценка экономической эффективности разработанных мероприятий.

Методика исследований 1. Обобщение теоретических исследований о воде и ее поведения в буровых и тампонажных растворов.

3. Разработка технологий по управлению свойствами буровых и тампонажных растворов.

4. Проведение промысловых испытаний и анализ их результатов. Достоверность научных положений и выводов, технических решений и рекомендаций базируются на достаточном объеме теоретических и экспериментальных исследований с применением современных методов исследований. Достоверность научных положений подтверждается и результатами промышленного использования разработанных мероприятий.

Научная новизна работы заключается в следующем:

Защищаемые положения

3. Управление объемными деформациями цементного теста-камня в за - и межколонном пространстве скважин достигается изменением полярности водородных связей;

Практическая ценность работы

Разработаны и внедрены в практику строительства скважин технологии получения и применения буровых растворов на основе многоатомных спиртов и четвертичных аминов, повышающие устойчивость стенок скважины в глинистых отложениях;

Предложены для применения ускоритель твердения цемента в виде солевой смеси, являющейся побочным продуктом производства соды, а также замедлитель отвердевания цемента в виде техногенного алюмосиликата, содержащего в своем составе силикат алюминия: горелая порода, зола-унос и керамзитовая пыль.

Впервые предложены и применены водорастворимые соединения в качестве расширяющих добавок к тампонажному портландцементу.

Впервые предложена технология получения и применения термо - и коррози-онностойкого тампонажного портландцемента, затвердевающего вследствие одностадийного формирования гидрогроссуляров.

Реализация результатов работы

По результатам исследований в 1986-1999 гг. при проводке и цементировании скважин в АО «Атыраунефтегазразведка», АО «Недра», ОАО «Татнефть», ФГУП «Арктикморнефтегазразведка» использовались технологии: получения и применения тампонажных растворов с управляемой контракцией при твердении цемента, управления скоростью твердения тампонажных цементов и тампонажных цементов, затвердевающих вследствие образования гидрогроссуляров, а также получения и применения промывочных жидкостей;

Разработаны и внедрены РД 39 - 0147585 - 158 - 97 «Временная инструкция по первичному вскрытию и укреплению глинистых отложений при строительстве скважин на месторождениях АО «Татнефть»»; РД 39 - 0147585 - 096 - 93 «Технология изоляции зон интенсивного поглощения бурового раствора с использованием тиксо-тропной тампонажной композиции»; временная инструкция АО «Татнефть» «Технология цементирования обсадных колонн с использованием расширяющих добавок в портландцемент»; инструкция АО «Татнефть» «Приготовление и применение серово-дородостойкого гидрогранатного цемента».

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались на заседаниях и техсоветах АО «Татнефть» (1992-1997гг.); семинарах - дискуссиях в гг. Астрахани, Краснодаре, Москве, Тюмени и Уфе; 1 Международном (9 - Всесоюзном) Совещании по химии и технологии цементов; Втором международном конгрессе «Новые высокие технологии для нефтегазовой промышленности и энергетике будущего». Высои кие технологии. Москва-850. Москва, 1997; III. - Бакинская Международная Мамеда-лиевская нефтехимическая конференция. Баку, 1998.

Автор благодарит своих учителей д.т.н., профессора, чл.-корр. АН РБ, академика РАЕН [Мавлютова М.Р.[; д.т.н., профессора Спивака А.И.; д.т.н. Кравцова В.М.; д.т.н. Кузнецова Ю.С.; д.т.н. Н. И. Николаева, к.х.н. Чегодаева за внимание и помощь, оказанную в выполнении работы. Автор также благодарен д.т.н. Кузнецовой Т.В., д.т.н. Агзамову Ф.А., д.т.н. Шатову А.А., д.т.н. Загирову М.М., к.т.н. Васильеву В.В., к.т.н. Катееву И.С., Студенскому М.Н., сотрудникам УГНТУ, АО «Татнефть», ТатНИПИнефть, ФГУП «Арктикморнефтегазразведка» за помощь, оказанную при обсуждении результатов и реализации работы в промышленности.

Заключение Диссертация по теме "Технология бурения и освоения скважин", Шарафутдинов, Зариф Закиевич

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Существующие подходы к формированию свойств буровых и тампонажных растворов не всегда позволяют успешно решать технические проблемы строительства скважин в интервалах, представленных неустойчивыми глинистыми отложениями, повышенными температурами, высокой агрессивностью пластовых флюидов и т.д. Это обусловлено односторонностью представлений о воде в их составе. Ее рассматривают только как жидкость, обладающую свойствами ионно-молекулярного вещества. Это положение противоречит известным положениям о состоянии воды в природе и затрудняет нахождение новых, эффективных путей управления техническими свойствами буровых и тампонажных растворов для обеспечения герметичности ее крепи.

2. Жидкая вода состоит из полимеризованной воды, скрепленной водородными связями и мономеров воды, наполняющих ее. В структуре воды имеет место постоянный переход мономерной воды в полимерную и наоборот. Водородные связи в воде изменяются дискретно, от электростатических до ковалентных. В соответствии с изменением свойств водородных связей изменяют свои физические свойства и растворы - суспензии на основе воды.

3. Глина представляет собой соединение включения на основе гидратов глинозема и кремнезема, строение и свойства которой определяется их соотношением между собой.

4. Процесс взаимодействия воды с глиной, включающий в себя всасывание воды и заполнение гидросиликатной оболочки мономерами воды приводит к образованию у глины гидратной и гелевой воды. В результате этого происходит набухание и последующее диспергирование глины. Управление свойствами и поведением глины в составе глинистых отложений, буровых растворов сводится к управлению состоянием водородных связей в их составе путем введения в буровой раствор различных реагентов.

5. Реагенты, необходимые для изменения технологических свойств суспензий, должны выбираться, исходя из их действия на структуру воды. В качестве критерия оценки действия реагентов предложено использовать отношение суммы энтальпий процесса гидратации отдельных фрагментов соединений к сумме их энтропийных вкладов. При отношении XAHr/IASr<0,3-103 К - реагенты подавляют набухание глины, при XAHr/^ASr>0,3-103K - реагенты усиливают набухание и пептизацию глины в воде и улучшают показатель фильтрации суспензий.

6. Для стабилизации ствола скважины были предложены и показали свою успешность: раствор катионного полиэлектролита ВПК-402, предотвративший гидра-тационное разрушение глинистых отложений; буровые растворы на основе многоатомных спиртов. Разработан и внедрен РД 39 - 0147585 - 158 - 97.

7. Процесс гидратации цемента включает в себя: гидролиз составляющих цемента, растворение продуктов гидролиза и их гидратную полимеризацию. Для управления скоростью прохождения гидратной полимеризации в различных термобарических условиях целесообразно использовать: для ускорения - солевую смесь, являющуюся побочным продуктом производства соды; для замедления - органические кислоты с числом атомности более четырех, а также продукты, содержащие в своем составе силикаты алюминия.

8. Соединения, слагающий цементный камень, являются соединениями включения, сложенные на основе полимерных гидратов кремнезема или глинозема с гидратной известью. Объемные деформации цементного теста-камня обусловлены полярностью связей в гидратном полимере, образуемых ими. Полярностью гидратных связей и объемными изменениями цементного теста-камня можно управлять за счет растворения в гидратной воде углеводородов или углеводородных групп неэлектролитов.

9. Мероприятия, разработанные для управления состоянием связей в воде цементного камня, позволили получить экономический эффект 72 миллиона рублей на одну скважину в ценах 1997 г. Разработаны и внедрены РД 39 - 0147585 - 096 - 93 «Технология изоляции зон интенсивного поглощения бурового раствора с использованием тиксотропной тампонажной композиции»; временная инструкция «Технология цементирования обсадных колонн с использованием расширяющих добавок в портландцемент»

10 Изменение состава соединений в цементном камне, при различных видах агрессивного воздействия на цементный камень в условиях глубоких скважин (температура, агрессивные пластовые флюиды), обусловлено изменением условий существования извести в цементном камне и усилением действия дисперсионных сил в структуре гидратных полимеров кремнезема и глинозема. Вследствие подобных процессов происходит ухудшение изоляционных свойств цементного камня в за - и меж колонном пространстве скважин.

11 Предотвратить процессы перестройки гидратных связей в объеме цементного камня возможно при увеличении устойчивости гидратного полимера к условиям окружающей среды. Это достигается созданием в объеме камня дополнительного количества гидратных связей или соединений с максимальным насыщением дисперсионных сил в них (гидрогроссуляры). На основании этого разработаны и предложены различные составы на основе тампонажного портландцемента, расширяющие область его применения в различных геолого-технических условиях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненного научного обобщения теоретических и экспериментальных исследований в области физико-химических процессов, протекающих в технологических жидкостях на водной основе, уточнены и дополнены представления о влиянии структурного состояния воды:

1) на устойчивость глинистых отложений в процессе бурения;

2) на реологические свойства буровых растворов и процессы, протекающие при фильтрации буровых растворов в проницаемой среде;

3) на скорость отверждения цементного раствора-теста;

4) на объемные изменения цементного теста-камня в за - меж колонном пространстве скважин

5) на устойчивость цементного камня к различным агрессивным воздействиям. На основании технологий, разработанных для управления поведением буровых и тампонажных растворов, решены проблемы по обеспечению герметичностью крепи скважин в условиях характеризующихся:

1) наличием в разрезе ствола скважины значительных интервалов гидратационноак-тивных глинистых отложений;

2) наличием значительных интервалов межколонного пространства, агрессивным воздействием температур и пластовых флюидов.

Проблема решена путем физико-химического обоснования технологии применения реагентов в составе буровых и тампонажных растворов, а также получения специальных цементов, обеспечивающих повышенную стабильность структуры воды в составе образующегося камня.

Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора технических наук, Шарафутдинов, Зариф Закиевич, Уфа

1. Адам И.К. Физика и химия поверхностей: пер. с англ. - М.-Л.: Гостехиздат, 1947-551с.

2. VI Международный конгресс по химии цемента /Рой Д., Рой Р. М.: 1964, с. 249-254.

3. А.С. СССР № 832058. Устройство для изучения седиментационной устойчивости высококонцентрированных суспензий /Пупков B.C., Гнездов В.П. опубл. в Б.И., 1981, №19.

4. Агзамов Ф.А. К вопросу углекислотной коррозии тампонажного камня в нефтяных и газовых скважинах //В сб.: Технология бурения нефтяных и газовых скважин Уфа: 1983, С. 103 - 109 .

5. Активизированное твердение цементов /Сватовская Л.Б., Сычев М.М. Л.: Стройиз-дат, 1983. С. 160.

6. Антипов В.И. Деформация обсадных колонн под действием неравномерного давления. М.: Недра, 1992.

7. Ахадов Я.Ю. Диэлектрические свойства бинарных растворов М.: Наука, 1977, с.400.

8. Баженов П.И. Технология автоклавных минералов М.: Стройиздат,1978.

9. Башкутов B.C. Минерализованные тампонажные растворы для цементирования скважин в сложных условиях. М.: Недра, 1986. -272 с.

10. Белов В.П. Образование каверн при бурении скважин -М.: Недра, 1970, с.

11. Белов Н.В. Очерки по структурной минералогии. М.: Недра, 1976, с.

12. Бетоны и изделия на шлаковых и зольных цементах /Волженский А.В., Буров Ю.С. , Виноградов Б. Н. М.: Гостройиздат, 1963 -197 с.

13. Бобров Б.С., Эпельбаум М.Б. Об измерении контракции методом гидростатического взвешивания //В сб.: Гидратация и твердение цементов Челябинск: 1969, с.5-11.

14. Бобров Б.С., Лесун В.В. Гидратация алюмоферрита кальция в растворах сульфатов натрия и магния //В сб.: Гидратация и твердение цементов Челябинск: 1974, с. 4654.

15. Бобров Б.С., Ильин В.И. Гидратация монокристаллов алита //В сб.: Инженерно-физические исследования строительных материалов Челябинск: 1975, с. 60-63.

16. Бобров Б.С., Шикирянский A.M. Об оптимальной добавке гипса к низкоалюминатно-му портландцементу //В сб.: Инженерно-физические исследования строительных материалов Челябинск, 1977-е. 122-127

17. Бойнтон Р.С. Химия и технология извести: пер. с англ. М.: Стройиздат, 1972 - 240с.18

Информация о работе

Шарафутдинов, Зариф Закиевич
доктора технических наук
Уфа, 2006
ВАК 25.00.15

Диссертация

Управление технологическими параметрами буровых и тампонажных растворов изменением структурного состояния дисперсионной среды - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Управление технологическими параметрами буровых и тампонажных растворов изменением структурного состояния дисперсионной среды - тема автореферата по наукам о земле, скачайте бесплатно автореферат диссертации

Похожие работы