Описаны проблемы, связанные с качеством крепления скважины. Освещены основные негативные последствия некачественного разобщения пластов. Одним из решений данной проблемы является применение расширяющихся тампонажных составов для повышения герметичности крепи скважины и, соответственно, качества разобщения продуктивных и водоносных горизонтов. Рассмотрены механизмы процессов расширения тампонажных составов. Проведен обзор основных типов расширяющих добавок для тампонажных растворов. Выявлено, что наибольшая величина линейного расширения обеспечивается при оксидном механизме расширения за счет ввода добавок оксида кальция и оксида магния. Оксидное расширение обусловлено образованием гидроксидов соответствующих металлов, оксиды которых занимают меньший объем, нежели продукты гидратации. Основной проблемой, сдерживающей широкое применение оксидного типа расширения, является высокая скорость гидратации исходных веществ, что приводит к образованию гидроксидов в подвижном цементном тесте, тем самым исключая расширение цементного камня. С целью получения расширения в пластичном, не набравшем высокую прочность цементном камне проведены исследования и определено влияние определенных химических реагентов на скорость гидратации оксида кальция. Выявлены наиболее оптимальные компонентные составы расширяющих добавок на основе оксида кальция для тампонажных растворов. Установлены требования к технологическим параметрам базового тампонажного раствора. Определен компонентный состав и разработана рецептура базового тампонажного раствора на основе портландцемента марки ПЦТ-I-G-CC-I, который станет основой для расширяющегося тампонажного состава. Для регулирования водоудерживающих и реологических показателей тампонажный раствор модифицирован добавками. В качестве водоудерживающей и структурообразующей добавки предлагается использовать гидроксиэтилцеллюлозу, в качестве пеногасителя — силиконовый пено-гаситель. Допускается ввод поликарбоксилатного пластификатора для повышения подвижности и текучести тампонажного раствора. В качестве буферной жидкости предлагается использование двух процентного водного раствора полиакриламида.
Научная новизна работы состоит в установлении зависимости скорости и величины расширения цементного камня от температурных условий, концентрации расширяющей добавки и ингибиторов реакции гидратации оксида кальция, в определении зависимости структурно-реологических и механических свойств тампонажных растворов и камня от состава и химической природы входящих в них компонентов, а также в определении зависимость качества крепления скважин от разновидности буферной жидкости.
Для условий аномально высоких пластовых давлений эффективными являются расширяющие добавки на основе оксида кальция с лигносульфонатами или силикатами натрия, для условий аномально низких пластовых давлений– на основе феррита и оксида кальция, обеспечивающие линейное расширение цементного камня в пределах 0,2–22 % при концентрации расширяющей добавки 3-8 %.
Повышение герметичности крепи скважины обеспечивается применением стабилизированного тампонажного раствора на основе ПЦТ-I-G-CC1, содержащего расширяющую добавку и модифицирующие реагенты, которые повышают изоляционные характеристики за счет эффекта расширения (до 8 %), повышенной адгезии (до 1,8 раза) и низкой водоотдачи (до 35 см3/30 мин).
Современным уровнем аналитических и экспериментальных исследований, воспроизводимостью полученных экспериментальных данных и результатов промысловых испытаний определена практическая значимость работы:
— Определены компоненты-ингибиторы для регулирования сроков реакции гидратации оксида кальция.
— Разработаны расширяющиеся тампонажные составы с регулируемыми технологическими свойствами для крепления скважин в условиях нормальных и умеренных температур.
— Разработано двух процентного водного раствора полиакриламида в качестве буферной жидкости для улучшения качества крепления скважин.
— Исследованы данные АКЦ по более 100 скважин месторождений Узень, Шағырлы-Шомышты, Амангельды и др. Западно-Казахстанского региона. Полученные результаты позволяют сделать следующий вывод: до 60% интервалов цементирования скважин характеризуются отсутствием качественного сцепления либо в зоне контакта цементный камень — обсадная колонна, либо в зоне контакта стенка скважины — цементный камень, либо одновременно в обеих зонах.
Причины этого носят сложный характер и зависят от множества факторов. Одна из причин — это отсутствие качественной очистки направленных стволов скважин от бурового раствора и «языков» твердой фазы, выпавшей из промывочной жидкости на стенки наклонных и горизонтальных скважин.
Для качественной очистки наклонного ствола скважины от бурового раствора и «языков» твердой фазы необходимо, чтобы динамическое напряжение сдвига буферной жидкости было более 15 Па. Однако применяемая на месторождениях Западно-Казахстанского региона в качестве очистительной буферной системы техническая вода, либо водные растворы НТФ, не обладают достаточными вытесняющими свойствами. Поэтому можно с определенной уверенностью отметить, что эти системы не позволяют решать задачи качественной очистки наклонных стволов нефтяных и газовых скважин от бурового раствора и особенно от образовавшихся «языков» твердой фазы, выпавшей из промывочной жидкости. Для этой цели необходимо разработать специальные составы структурированных буферных жидкостей.
Выполнены исследования по разработке эффективных составов структурированных буферных жидкостей, обеспечивающих решение комплекса проблем по подготовке стволов скважин к цементированию, а именно: разделение тампонажного и бурового растворов, полное вытеснение промывочной жидкости из затрубного пространства, очистку ствола скважины от трудновытесняемых «языков» твердой фазы, кольматацию стенок проницаемых пластов. Кроме того, к разрабатываемым составам буферных жидкостей предъявляются дополнительные требования: простота приготовления, доступность и относительная дешевизна используемых для их получения компонентов.
Для разработки составов структурированных буферных жидкостей предлагается использовать: 2% полимерные реагенты на основе оксиэтилцеллюлозы, структурирующая добавка — сернокислый алюминий и кольматант ИККАРБ-75. В процессе исследований установили закономерности влияния добавок сернокислого алюминия на структурно-реологические свойства водных растворов полимерных реагентов.
Приготовление буферной жидкости производилось следующим образом:
В лабораторной мешалке готовили водный раствор сернокислого алюминия путем растворения его в технической воде при температуре 50-60°С и перемешивания до полного растворения в течение 10 минут. Затем вводился полимерный реагент, и полученная смесь перемешивалась в течение 15 минут. После, при постоянном перемешивании, добавляли реагент ИККАРБ-75. Через 5-10 минут перемешивания после достижения равномерного распределения реагента ИККАРБ-75 по всему объему измерялись свойства полученной буферной жидкости.
Для сохранения коллекторских свойств продуктивных пластов в процессе цементирования в качестве коркообразующей добавки для буферных жидкостей использован кольматирующий наполнитель ИККАРБ-75. Добавка ИККАРБ-75 благодаря образованию плотной непроницаемой карбонатной корки на стенках скважины позволяет предотвратить отфильтровывание жидкости, как из буферной смеси, так и из тампонажного раствора. Корка, содержащая карбонаты, хорошо сцепляется с цементным камнем и легко удаляется, вследствие хорошей растворимости при солянокислотных обработках в процессе вторичного вскрытия продуктивного пласта.
При применении структурированной буферной жидкости, ее необходимый объем в соответствии с требованиями, соответствует 15 % от объема тампонажного раствора, используемого для крепления скважины в случае применения нижней разделительной пробки. Например, для скважин глубиной 2700-3000 метров при креплении эксплуатационных колонн на месторождениях Западно-Казахстанского региона объем буферной жидкости принимается 6,0 м3. Требуемые объемы структурированных буферных жидкостей зависят от диаметра скважины и обсадной колонны, и они должны уточняться в каждом конкретном случае.
Для крепления скважин при аномально низких пластовых давлениях целесообразно применение облегченной полимерной тампонажной смеси с применением вермикулита с плотностью (1,1-1,2) г/см3 и растекаемостью 21-23 см. При этом прочность образовавшегося камня на изгиб получается 7,2-8,7 МПа. С увеличением процента добавки отвердителя, например 0,08% от веса расчетного объема смолы время начало схватывания уменьшается.
Начало времени схватывания зависит от количества отвердителя, добавляемого в полимерную тампонажную смесь при различных температурах.
Для приготовления 1м3 полимерной тампонажной смеси требуется следующие материалы:
Разработанная новая полимерная тампонажная смесь плотностью ρ=1,1-1,2 г/см3 рекомендована для крепления нефтяных и газовых скважин, а также для изоляции водопритоков при проведении опытно-промышленных испытаний на месторождениях Западного Казахстана.
При растекаемости полимерной тампонажной смеси 21 см. и плотности ρ=1,22 г/см3 начало схватывания при 1,0 % добавки отвердителя составляет 225 минут. Прочность образовавшегося камня равна 7,0 МПа. При добавлении отвердителя 4,0 % от общего объема смолы время начало схватывания резко снижается до 140 минут.
Нами была изучена новая полимерная тампонажная смесь с наполнителями: опилки и отвердители при температурах 60 – 120°С.
На основе проведенных анализов получен следующий рецепт полимерной тампонажной смеси: карбамидоформальдегидная смола с плотностью ρ=1,27-2,2 г/см3, отвердитель (медный купорос – технический) и древесная опилка. В качестве отвердителя применялся 30 % раствор реагента КПА-5.
Исследования показывают, что по мере роста температуры и увеличения процента добавки отвердителя, прочность предложенной тампонажной смеси также возрастает.
Далее были продолжены лабораторные исследования той же полимерной
тампонажной смеси с добавлением к ней 5 % серы. Результаты исследования показывают, что время загустевания смеси также увеличиваются при неизменной механической прочности камня.
Сера в данном случае является стабилизатором процесса полимеризации, обеспечивая время начала загустевания при требуемых сроках.
Представляет большой интерес исследование состава рассмотренной тампонажной смеси состоящей из 150 г смолы, 7,5 г древесных опилок и 2% отвердителя. Результаты исследований показывают, что при температуре 100ºС расширение предложенной смолы с
ростом температуры повышается. Это в свою очередь обеспечит прочность камня.
Тампонажная смесь с содержанием смолы 150 г, древесных опилок 7,5 г и отвердителя 2% имеет расширение 60%, а с содержанием отвердителя 0,7% при температуре 100°С имеет расширение 75%.
Разработанные тампонажные составы и буферная жидкость использованы при цементировании обсадных колонн.