Исследование и разработка облегченных расширяющихся тампонажных растворов для цементирования скважин в криолитозоне тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.15, кандидат технических наук Газгиреев, Юшаа Орснакиевич

• Газгиреев, Юшаа Орснакиевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Газгиреев, Юшаа Орснакиевич

Введение

1. Состояние качества крепления скважин в геокриологических условиях Западной Сибири. '

1.1. Краткая геокриологическая характеристика основных нефтегазодобывающих районов. ^

1.2. Особенности крепления скважин на месторождениях Крайнего Севера.

Выводы по разделу 1.

2. Теоретические предпосылки к разработке мероприятий по повышению надежности крепления скважин в криолитозоне.

2.1. Анализ представлений об условиях возникновения и величинах сминающих нагрузок на обсадные трубы в интервале мерзлых горных пород.

2.2. Анализ способ предотвращения смятия обсадных колонн в криолитозоне.

2.3. Анализ свойств тампонажных материалов для низкотемпературных скважин и особенностей их твердения в условиях криолитозоны.

2.4. Исследование напряженно-деформированного состояния крепи скважин в криолитозоне.

2.5. Обоснование основных требований к свойствам тампонажного материала для низкотемпературных скважин.

2.6. Методы и методики исследования физико-механических свойств тампонажных материалов для условий МГП.

Выводы по разделу 2.

3. Разработка и исследование облегченного, расширяющегося тампонажного материала для цементирования скважин в криолитозоне.

3.1. Обоснование выбора компонентов облегченного расширяющегося тампонажного материала для цементирования скважин в криолитозоне.

3.2. Разработка и оптимизация состава облегченного расширяющегося тампонажного раствора для цементирования скважин в криолитозоне.

Выводы по разделу 3.

4. Результаты промышленного внедрения разработанных рекомендаций. *

4.1. Результаты промышленного внедрения облегченных микросферами расширяющихся тампонажных составов. Ю

4.2. Оптимизация конструкции крепи скважин в криолитозоне. Ш

Выводы по разделу 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка облегченных расширяющихся тампонажных растворов для цементирования скважин в криолитозоне»

Актуальность проблемы

Большинство крупных разведанных и перспективных месторождений природных углеводородов находятся в районах Крайнего Севера Западной Сибири, которые характеризуются повсеместным распространением мерзлых горных пород (МГП) и наличием пластов с низкими градиентами гидроразрыва, что значительно усложняет сооружение и эксплуатацию скважин. Отмечаются следующие осложнения: кавернообразование, недоподъем тампонажного раствора до устья, негерметичность крепи скважин, смятие обсадных колонн и Др.

Недостаточная эффективность технологии крепления скважин в этих условиях обусловливает применение специальных цементов. Прежде всего, это относится к облегченным тампонажным растворам, которые отечественной промышленностью не выпускаются. Применение же облегчающих добавок требует повышенного водосодержания, что приводит к ухудшению физико-механических свойств формирующегося камня, большинство из добавок являются инертными при формировании структуры тампонажного камня.

В связи с этим очевидна необходимость разработки специальных тампонажных композиций для качественного цементирования скважин в криолитозоне.

Цель работы

Повышение качества крепления скважин в сложных условиях криолитозоны путем улучшения физико-механических свойств и модификации применяемых тампонажных композиций.

Основные задачи исследований

1 .Обоснование причин возникновения осложнений при креплении скважин в криолитозоне и анализ способов их предупреждения.

2. Исследование процессов твердения тампонажных растворов при низких температурах окружающей среды. Обобщение требований к физикомеханическим свойствам формирующемуся в этих условиях цементному камню.

3. Обоснование и разработка состава облегченного, расширяющегося, гидравлически активного при низких температурах твердения тампонажного материала.

4. Исследование и регулирование технологических и физико-механических свойств раствора и камня на основе разработанного материала.

5. Опытно-промышленные испытания разработанной тампонажной композиции.

Научная новизна

1. Развиты представления о механизме возникновения локальных, осесимметричных сминающих давлений на обсадные колонны в интервалах МГП при обратном промерзании водных суспензий в заколонном пространстве скважин.

2. Научно-обоснованны требования к прочностным свойствам цементного камня, для крепления скважин в криолитозоне.

3. Теоретически обоснована и экспериментально доказана эффективность применения для цементирования обсадных колонн в криолитозоне облегченных расширяющихся тампонажных цементов.

Практическая значимость

1. Осуществлен комплексный подход к оценке надежности крепи арктических скважин.

2. Разработан состав облегченной, расширяющейся тампонажной композиции для цементирования обсадных колонн в сложных горногеологических условиях Крайнего Севера Западной Сибири.

3. Промышленное внедрение разработанной рецептуры облегченного, расширяющегося тампонажного раствора позволило цементировать обсадные колонны в одну ступень до устья скважин и предупредить возникновения межколонных перетоков.

Внедрение результатов в промышленность

Основные результаты проведенных исследований и предлагаемые рекомендации внедрены при строительстве скважин на месторождениях Крайнего Севера Западной Сибири, разбуриваемых буровым предприятием «Тюменбургаз» ДОО «Бургаз» ОАО «Газпром».

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических совещаниях филиала «Тюменбургаз» ДООО «Бургаз», заседаниях кафедры бурения нефтяных и газовых скважин ГОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет», на международных и региональных научно-технических конференциях: междунар. науч. техн. конф., посвященной 40-летию ТюмГНГУ. (Тюмень, 2003); региональной науч. практич. конф. аспирантов и молодых ученых (Тюмень, 2004); региональной науч. техн. конф. «.(Тюмень, 2004).

Публикации Основные положения диссертационной работы опубликованы в 7 печатных работах.

Заключение диссертации по теме «Технология бурения и освоения скважин», Газгиреев, Юшаа Орснакиевич

5. Основные выводы и рекомендации внедрены в филиале «Тюменбургаз» ДООО «Бургаз» ОАО «Газпром» при цементировании обсадных колонн скважин в интервале залегания мерзлых горных пород.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Газгиреев, Юшаа Орснакиевич, 2004 год

1. Кудрявцев В.А., Достовалов В.Н., Романовский Н.Н. Общее мерзлотоведение (геокриология). М.: Изд-во МГУ, 1978. - 464 с.

2. Данилов И.Д. Проблемы развития полярного шельфа Евразии // М.: Вестн. МГУ. Сер.5, География. 1974. № 1. С.22-34.

3. Баду Ю.Б., Макогон Ю.Ф., Андреев О.Ф. и др. Задачи газопромысловой криолитологии // Экспериментальные и теоретические исследования взаимодействия скважин с многолетнемерзлыми породами. М: ВНИИГАЗ, 1979.-С. 14-22.

4. Баулин В.В., Белоусова Е.В., Дубиков Г.И. Геокриологические условия Западно-Сибирской низменности М.: Наука, 1967 - 213 с.

5. Острый Г.Б. Геокриологические условия распространения мощной толщи мерзлых пород // Тр. ин-та / ЗапСибНИГНИ. 1968. Вып. 6. Вопросы геологии, бурения и добычи в зоне мерзлых горных пород на месторождениях Западной Сибири. С. 8-31.

6. Трофимов В.Т., Баду Ю.Б., Дубиков Г.И. Криогенное строение и льдистость ММП Западно-Сибирской плиты. М.: Изд-во МГУ, 1980.- 246 с.

7. Ермилов О.М., Дегтярев Б.В., Курчиков А.Р. Сооружение и эксплуатация газовых скважин в районах Крайнего Севера. Теплофизические и геохимические аспекты.- Новосибирск: Изд-во РАН, 2003. 223 с.

8. Грязнов Г.С. Особенности глубокого бурения скважин в районах вечной мерзлоты. -М.: Недра, 1969. 167 с.

9. Грязнов Г.С. Конструкции газовых скважин в районах многолетнемерзлых пород. М.: Недра, 1978. - 136 с.Ю.Медведский Р.И. Строительство и эксплуатация скважин на нефть и газ в вечномерзлых породах. — М.: Недра, 1987. 230 с.

10. Марамзин А.В., Рязанов А.А. Бурение разведочных скважин в районах распространения многолетнемерзлых пород. М.: Недра, 1971. — 148 с.

11. Стригоцкий С.В. Основы управления качеством строительства скважин в многолетнемерзлых породах. -М.: ВНИИОЭНГ, 1991. 179 с.

12. Булатов А.И., Измайлов Л.Б., Лебедев О.А. Проектирование конструкций скважин. М: Недра, 1979. - 280 с.

13. Горский А.Т., Шевцов В.Д. Цементирование скважин в районах Крайнего Севера Тюменской области // Тр. ин-та / Гипротюменнефтегаз. 1968. Вып.6. С. 122-132.

14. Фролов А.А. Научное обоснование, разработка и внедрение современных технологий разобщения пластов сложнопостроенных газовых месторождений: Дис. . д-ра техн. наук. — Тюмень, 2001. 398 с.

15. Белов В.И. Некоторые особенности бурения и эксплуатации нефтяных и газовых скважин в Тюменской области// Тр. ин-та / Гипротюменнефтегаз. 1968. Вып. 1. С. 202-206.

16. Фролов А.А., Белей И.И. Практика цементирования скважин на месторождениях Крайнего СевераИ Изв. Вузов. Нефть и газ. 2000. - № 5. -С. 47-52.

17. Облегченные тампонажные растворы для крепления газовых скважин / Вяхирев В.И., Овчинников В.П., Овчинников П.В. и др. М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2000. - 134 с.

18. Вагнер Г.Р. Физико-химия процессов активизации цементных дисперсий. Киев: Наукова думка, 1980. - 200 с.

19. Кузнецов Ю.С. Виброволновая технология, скважинная техника и тампонажные материалы для цементирования скважин в сложных геолого-технических условиях: Автореф. дис. . доктора техн. наук. Уфа, 1987. -56 с.

20. Булатов А.И., Видовский А.Л. Изменение давления и температуры в зацементированном заколонном пространстве скважин// Обзрная информ.: Техника и технология бурения скважин. 1988. Вып. 11. - 60 с.

21. Методика выбора конструкций скважин в зоне мерзлых пород: РД 00158758-207-99. Тюмень: ОАО «Газпром», ООО «ТюменНИИгипрогаз», 1999. 30 с.

22. Овчинников В.П. Разработка специальных тампонажных композиций и технологии подготовки ствола скважины для разобщения пластов в различных термобарических условиях: Дис. . д-ра техн. наук.- Уфа, 1992. -456 с.

23. Клюсов А.А. Разработка и исследование цементных тампонажных композиций, твердеющих при пониженных температурах: Дис. . д-ра техн. наук. М., 1993.-560 с.

24. Специальные тампонажные материалы для низкотемпературных скважин/ Овчинников П.В., Кузнецов В.Г., Фролов А.А. и др. М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2002. - 115 с.

25. Goodman М.А. Arctic drilling operations present unique problems, Word oil, 1977. V.185. N 6. P. 95-100.

26. Кузнецов В.Г. Повышение устойчивости крепи скважин в сложных геокриологических условиях: Дис. . канд. техн. наук. Тюмень, 1991. -200 с.

27. Пехович А.И. Основы гидроледотермики. Л.: Энергоатомиздат, 1983.-200 с.

28. Медведский Р.И., Баталов Д.М. Механизм образования ледяных пробок в стволе простаивающих скважин // Научн.-техн. сб. Проблемы нефти и газа Тюмени. Тюмень: ЗапсибНИГНИ, 1984. - Вып. 63. - С. 22-24.

29. Шешуков Н.Л., Грязнов Г.С., Фомичев Г.И. Возникновение замкнутых систем в скважинах основная причина смятия обсадных труб в мерзлых породах // Сб. Природный газ Сибири. Тюмень, 1972. № 9. С. 3-7.

30. Wood D.B., Goodman М.А. Permafrost freezeback pressure behavior/ Word oil, 1975. N 27. P. 949-950.

31. Кузнецов В.Г. Давление на крепь скважин при замерзании жидкости в кавернах «Нефть и газ». Известия высших учебных заведений. ТюмГНГУ, Тюмень. № 5, 2000. С. 85-89.

32. А.с. 583286 СССР, МКИ Е 21 В 43/00. Способ предупреждения смятия обсадных колонн в зоне многолетнемерзлых пород / Е.Е. Фролов, Г.С. Исаев (СССР). Опубл. 1977. Бюл. № 45. Заявл. 0.5 0.6. 1974.

33. А.с. 678180 СССР, МКИ Е 21 В 43/00. Способ предотвращения смятия колонн при обратном промерзании / Р.И. Медведский, В.М. Стояков (СССР). -Опубл. 1982. Бюл. № 29. Заявл. 21. 03. 1978.

34. А.с. 899868 СССР, МКИ Е 21 В 43/00. Способ предотвращения смятия обсадных колонн при обратном промерзании в зоне многолетнемерзлых пород / П.Т. Шмыгля, А.М. Культиков, В.М. Стояков (СССР). Опубл. 1982. Бюл. № 3. Заявл. 26. 09. 1980.

35. А.с. 857445 СССР, МКИ Е 21 В 43/00. Способ предотвращения смятия обсадных колонн в зоне ММП / В.Д. Малеванский, B.C. Смирнов, А.Я. Стрюков (СССР). Опубл. 1981. Бюл. №31. Заявл. 29.12.1979.

36. А.с. 1086126 СССР, МКИ Е 21 В 36/00. Способ предотвращения смятия обсадной колонны в зоне ММП / Н.Л. Шешуков (СССР). Опубл. 1984. Бюл. № 14. Заявл. 28. 07. 1982.

37. А.с. 1033713 СССР, МКИ Е 21 В 36/00. Способ предотвращения смятия обсадной колонны в зоне ММП / В.М. Ентов, А.В. Максимов (СССР). -Опубл. 1983. Бюл. № 29. Заявл. 16. 04. 1982.

38. А.с. 947393 СССР, МКИ Е 21 В 43/00. Устройство для предотвращения смятия обсадных колонн скважин / В.П. Балин, И.А. Усольцев, А.Б. Кряквин (СССР). Опубл. 1982. Бюл. № 28. Заявл. 05.02. 1979.

39. А.с. 717294 СССР, МКИ Е 21 В 43/00. Обсадная колонна / О.Ф. Худяков, О.Ф. Андреев, В.Д. Малеванский (СССР). Опубл. 1980. Бюл. № 7. Заявл. 14.08. 1978.

40. Белов В.И. Промывочные жидкости при бурении в зоне залегания мерзлоты // Тр. ин-та / ЗапсибНИГНИ. 1968. Вып. 6. Проблемы Нефти и газа Тюмени. С. 109-120.

41. Блинов Б.М., Медведский Р.И. Предупреждение смятия колонн в скважинах путем совмещения прямого и обратного способов цементирования // Нефт. хоз-во. 1984. - № 3.- С. 62- 66.

42. Стригоцкий С.В., Лукманов Р.А. Предотвращение смятия обсадных колонн в интервале залегания ММП // Природный газ Сибири. Сб. статей. -Тюмень, 1974. Вып. 7. С. 116-125, ДСП.

43. Хомик М.В., Кашкаров Н.Г., Поршевников Н.Н. Сравнительная оценка промывочных жидкостей для бурения в условиях Крайнего Севера // Бурение скважин на газовых месторождениях Западной Сибири: Сб. Под ред. П.Т. Шмыгля. Тюмень: ЗапсибНИГНИ, 1976. С. 79-82.

44. Истомин В.А., Истомин А.В., Дегтярев Б.В. Влияние длительности теплового воздействия обратного промерзания пород вокруг скважины, пробуренной в криолитозоне // Изв. вузов. Нефть и газ. -1983. № 3. - С. 17-21.

45. Гайворонский А.А., Цыбин А.А. Крепление скважин и разобщение пластов. — М.: Недра, 1981. — 367 с.

46. Дубина М.М., Красовицкий Б.А. Теплообмен и механика взаимодействия трубопроводов и скважин с грунтами. — Новосибирск: Наука, 1983. 130 с.

47. Медведский Р.И., Баталов Д.М. Механизм образования ледяных пробок в стволе простаивающих скважин// Тр. ин-та / ЗапсибНИГНИ. 1984. Вып. 63. Проблемы нефти и газа Тюмени. С. 22-24.

48. Горский А.Т., Баталов Д.М., Швецов В.Д. Применение вермикулитоцементных растворов для цементирования скважин // Тр. ин-та / ЗапсибНИГНИ. 1983. Вып. 66. С. 54-59.

49. Зельцер П.Я. Тампонажный раствор с комплексными химическими добавками для цементирования низкотемпературных скважин // Бурение. -1980. -№3.- С. 20-21.

50. Клюсов А.А., Шаляпин М.М. Тампонажные материалы для крепления низкотемпературных скважин в сложных геологических условиях Крайнего Севера // Нефтегазопромысловая геология, геофизика и бурение. -1984. № 3. -С. 45-47.

51. Тимовский В.П., Тарадыменко Ю.Я., Артамасов Б.А. ЦТН — эффективный тампонажный материал для крепления низкотемпературных скважин / Теория и практика крепления и ремонта скважин. — Краснодар: 1987. -С. 64-67.

52. Трутко В.П., Корнилов А.Е. Тампонажные материалы для арктических районов / Бурение газовых и морских нефтяных скважин. -1982. -№ З.-С. 23-24.

53. Специальные тампонажные материалы для разобщения пластов в различных термобарических условиях / Вяхирев В.И., Кузнецов Ю.С., Овчинников В.П. и др. Тюмень: Изд-во «Вектор Бук», 1997. - 237 с.

54. Данюшевский B.C., Алиев P.M., Толстых И.Ф. Справочное руководство по тампонажным материалам, изд. 2-е перераб. и доп. М.: Недра, 1984.-373 с.

55. Клюсов В.А. Совершенствование составов тампонажных материалов для повышения качества разобщения пластов в арктических скважинах: Автореф. дис. . канд. техн. наук. Тюмень, 2000. - 24 с.

56. Тампонажные материалы и химреагенты зарубежных фирм/ Вяхирев В.И., Рудницкий А.В., Рябоконь А.А. и др. М.: ИРЦ Газпром, 1977. -44 с.

57. Мейгус Д. Цементирование в вечной мерзлоте // Симпозиум по тампонажным и строительным цементам для арктических условий. М., 1982.

58. Рояк С.М., Рояк Г.С. Специальные цементы. М.: Стройиздат, 1983. -279 с.

59. Подгорнов В.М., Ведищев И.А. Практикум по заканчиванию скважин. Учеб. Пособие для вузов.- М.: Недра, 1985. 256 с.

60. Баталов Д.М. Цементно-бентонитовые растворы для низко -температурных скважин // Тр. ин-та / ЗапСибНИГНИ. 1984. С. 56 62.

61. А.с. 884367 СССР, МКИ3 Е 21 В 33/138. Облегченный тампонажный раствор для низкотемпературных скважин/ А.А. Юпосов (СССР).- № 2977437/22 03. Заявлено 25.08.80.

62. Овчинников В.П., Кузнецов В.Г., Сонин В.Н., Кузнецов Р.Ю. Облегченный тампонажный раствор для цементирования скважин в криолитозоне / Тез. докл. Всеросс. науч. технич. конф. Тюмень, 2000. С. 56.

63. Юносов А.А., Батурин В.И., Добрянский В.Г., Кривобородов Ю.Р., Кожемякин П.Г. Техногенный микрокремнезем — эффективная добавка в цемент и композиция на его основе // Обзорная информ. Бурение газовых и газоконденсатных скважин. -1991,25 с.

64. Булатов А.И. Формирование и работа цементного камня в скважине. -М.: Недра, 1990. 406 с.

65. Миронов С.А. Бетоны твердеющие на морозе. М.: Стройиздат, 1974. -265 с.

66. Бутт Ю.М., Батырбаев Г.А. Гидратация клинкерных минералов портландцемента и их смесей с глиной и опокой. — Алма-Ата // Тр. ин-та / Казахский филиал АН СССР. 1961. Т. 3 (5).

67. Миронов С.А., Иванова О.С., Домашевский Н.П. Гидратация цемента и фазовые превращения воды в бетоне с химическими добавками при отрицательных температурах // Тез. докл. Всесоюз. совещания. Уфа, УНИ, 1978.-С. 185-197.

68. Шпынова Л.Г., Саницкий М.А., Островский О.Л. Особенности составов цемента для использования при отрицательных температурах. М.: Цемент, 1980. - № 9. - С. 13-14.

69. РД 00158758-207-99. Методика выбора конструкции скважин в зоне мерзлых пород. — Тюмень: ООО «ТюменНИИгипрогаз», 1999. 31 с.

70. Цыбин А.А. Теоретические и экспериментальные исследования прочностных показателей составных крепей нефтяных скважин // Тр. ин-та / ВНИИБТ. 1973. Вып. 31. С. 117-132.

71. Цыбин А.А. Исследование некоторых видов составных крепей для нефтяных скважин // Бурение. 1973. - № 5. - С. 7-10.

72. Кузнецов В.Г., Якубовская С.В., Герасимов Д.С. Напряженно-деформированное состояние крепи скважин при внешней локальной, осесимметричной нагрузке // Изв. вузов. Нефть и газ. 2002. - №6. - С. 31-34.

73. Временная методика расчета составных крепей нефтяных и газовых скважин // Тр. ин-та ВНИИБИ, 1973. Вып. 67. - 26 с.

74. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1979- 560 с.

75. Справочник по сопротивлению материалов / Г.С.Писаренко, А.П.Яковлев, В.В.Матвеев; Под ред. Г.С. Писаренко. — Киев: Наук, думка, 1988. 736 с.

76. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976.- 216 с.

77. Львовский Е.Н. Статистические методы построения эмпирических формул. М.: Высшая школа, 1988. — 367 с.

78. Башкатов Д.Н. Планирование эксперимента в разведочном бурении. — М.: Недра, 1985. 181 с.

79. Требования к свойствам тампонажного раствора-камня для крепления разведочных скважин на нефть и газ в условиях многолетнемерзлых пород Западной Сибири /А.Т. Горский. Тюмень: ЗапСибБурНИПИ, 1981. - 16 с.

80. Полозков А.В. Строительство скважин в условиях Крайнего Севера / А.В. Полозков, М.З. Магамедов, В.Н. Никитин // Обзорная информация. Сер.: Бурение газовых и газоконденсатных скважин. М.: ВНИИГазпром, 1987. -Вып. 5. - 38 с.

81. Юпосов А.А., Лепнев Э.Н., Каргапольцева Л.М. Взаимосвязь прочностных и акустических характеристик цементного камня// Газовая промышленность. М.: Недра, 1987. - № 3. - С. 50-51.

82. Методические указания по испытанию тампонажных материалов в условиях многолетнемерзлых грунтов. -М.: ВНИИГаз, 1982. 81 с.

83. Инструкция по расчету обсадных колонн для нефтяных и газовых скважин. М.: АО ВНИИТнефть, 1997. - 194 с.