Разработка расширяющихся тампонажных цементов для повышения качества цементирования скважин в интервале температур 60-120°С тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.14, кандидат технических наук Сорокин, Леонид Александрович

• Сорокин, Леонид Александрович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сорокин, Леонид Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

1 Анализ результатов исследований расширяющихся тампонажных це- 9 ментов.

1.1 Анализ результатов исследований в области расширяющихся там- 9 понажных цементов

1.2 Методика и задачи исследований расширяющихся тампонажных 16 цементов и расширяющихся добаок.

1.3 Влияние расширяющихся тампонажных цементов на качество крепления эксплуатационных скважин.

2 ИССЛЕДОВАНИЯ СОСТАВОВ И СВОЙСТВ РАСШИРЯЮЩИХ 30 ДОБАВОК К ТАМПОНАЖНЫМ ЦЕМЕНТАМ.

2.1. Теоретические предпосылки по разработке расширяющихся там- 30 понажных цементов.

2.1 Исследование расширяющихся добавок на основе шлаков цветной и черной металлургии.

2.2 Исследование расширяющихся добавок на основе оксидов щелочноземельных металлов.п

2.3 Исследование сульфоалюминатных вяжущих для получения РТЦ и 43 природного минерального сырья.

2.4 Исследование добавок хлоридов щелочных металлов для получения РТЦ.^

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка расширяющихся тампонажных цементов для повышения качества цементирования скважин в интервале температур 60-120°С»

Актуальность работы

Среди большого числа технологических операций и приемов, используемых при бурении скважин, особое место принадлежит разобщению продуктивных пластов, и в особенности при бурении геологоразведочных скважин, когда необходимо получить максимум достоверной информации об исследуемом пласте при ограниченном количестве скважин. Некачественное разобщение ствола скважины в процессе цементирования приводит к поступлению посторонних примесей, что не позволяет провести достоверные исследования об изучаемом пласте. Это значительно осложняется при опробовании газонефтяных скважин, когда более подвижный флюид газ, вода не дает возможность притоку в ствол скважины нефти. При этом важное значение приобретает совершенствование технологии цементирования скважин. Качество формирования цементного кольца в заколонном пространстве и надежность изоляционного экрана определяют типы применяемых тампонажных материалов. Условия формирования цементного кольца в заколонном пространстве являются одним из основных факторов при выборе типа тампонажного материала. Последний должен соответствовать термобарическим условиям формирования цементного кольца за обсадной колонной.

Для повышения герметичности зацементированного затрубного пространства скважин используется расширяющиеся тампонажные цементы (РТЦ)- эффект расширения твердеющего цементного камня. С этой целью разработано несколько разновидностей расширяющихся тампонажных цементов (РТЦ), предназначенных для цементирования. Имеются многочисленные публикации по вопросам создания и применения РТЦ. Разработанные РТЦ не всегда удовлетворяют конкретным условиям цементирования скважин.

Практика работ показывает, что ряд скважин эксплуатируются с продуктов относящихся к разрабатываемому пласту. В большинстве случаев они появляются или в период ожидания затвердевания цементного камня, или в начальной стадии эксплуатации. В настоящее время значительный объем бурения приходится на геостатические температуры 60 -120оС.

Разработке РТЦ, используемых в интервалах температур 60-120оС, позволяющим создавать водогазонепроницаемое заколонное пространство, и как следствие повысить качество опробования разведочных скважин на жидкие и газообразные полезные ископаемые, а также угольных месторождений для получения газометана, посвящена настоящая работа. Решению этой актуальной проблемы посвящены исследования, выполненные автором в рамках данной диссертации.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Повышение качества и надежности цементирования скважин за счет применения РТЦ для геостатических температур 60-120оС.

ОБЬЕК Г ИССЛЕДОВАНИЙ

Разработка расширяющихся добавок (РД) с целью получения РТЦ для цементирования скважин с геостатическими температурами 60-120оС.

ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЙ

Характеристики воздействия РД к тампонажным цементам для получения РТЦ в процессе их гидратации.

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

Для достижения поставленной цели - повышения качества и надежности цементирования скважин за счет применения РТЦ для геостатических температур 60-120оС нужно было решить следующие задачи:

- провести анализ причин некачественного цементирования обсадных колонн;

- разработать РТЦ для цементирования скважин в интервале температур 60-120оС;

- изучить физико-механические свойства разработанных РТЦ;

- провести опытно-промышленные испытания разработанных РТЦ;

- разработать рекомендации по цементированию скважин с РТЦ. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Для решения поставленных задач применялись общие принципы методологии научных исследований, включающие в себя анализ и обобщение литературных источников по рассматриваемой проблеме, проведения лабораторных, стендовых и производственных исследований с использованием современных приборов и методик.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА ДИССЕРТАЦИИ

1. Установлена зависимость скорости и времени расширения цементного раствора и камня от термобарических условий гидратации тампонажных цементов с добавками сульфоалюминатов кальция, окислов щелочноземельных металлов и газообразных добавок.

2. Установлена закономерность качества разобщения межколонного пространства я от времени прокачивания, скорости гидратации раствора и камня.

3. Определена зависимость скорости и времени расширения расширяющихся тампонажных цементов от концентрации и типов реагентов пластификаторов (полисахаридов, полиакрилатов, лигносульфонатов).

4. Определена зависимость скорости расширения цементного камня от концентрации хлоридов натрия.

ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ, выводов И

РЕКОМЕНДАЦИЙ

Практические рекомендации и защищаемые положения обоснованы достаточным объемом теоретических и экспериментальных исследований, а также проверкой положений, выводов и рекомендаций в производственных условиях.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ

На основе обобщения результатов теоретических, экспериментальных и промысловых исследований разработаны и внедрены в производство:

-технология получения РД (расширяющей добавки);

-РТЦ на основе оксидов щелочноземельных металлов и рекомендации по их применению использованы при составлении планов цементирования четырех скважин месторождения Шуртан;

-рекомендации по цементированию скважин с использованием РТЦ.

Практическое использование результатов выполненных работ позволило повысить качество крепления газовых скважин.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1 .Повышение эффективности цементирования скважин в различных термобарических условиях требует учета кинетики расширения смесей вяжущих, учитывающих физико-химическое состояние раствора и цементного камня.

2.Для получения оптимального состава РТЦ в интервале геостатических температур 60-120оС необходимы добавки в тампонажный цемент феррита, вьюстита, железистых окерманита и монтечюллита, хлоридов щелочных металлов

3.Для повышения надежности и разобщения пробуренного разреза необходимо учитывать время прокачивания раствора расширяющегося тампонажного цемента, скорости новообразования минералов расширяющей добавки и скорости гидратации цементного камня в процессе его твердения.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-технической конференции Ташкентского Политехнического института (Ташкент 1988г) на «Республиканской научно-технической конференции» в НИИСтромпроекте (Ташкент 1994г), на региональной научно-практической конференции «Проблемы строительства скважин в условиях аномально-высоких пластовых давлений» в СредАзНИИгазе (Ташкент 1986 г), на выездной сессии научно-технического совета в тресте «Узбургаз» ВПО «Узбекгазпром» (п.Караул-Базар 1987г), на межотраслевой научно-практической конференции «Основные принципы выбора технологий, технических средств и материалов при строительстве и ремонте скважин» в НПО «Бурение» (Краснодар-Анапа 2001 г), на секции ученого совета в «СевКавНИПИгазе».

ПУБЛИКАЦИИ

По теме диссертации опубликованы 2 статьи и 5 авторских свидетельств.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представляемая диссертационная работа направлена на решение актуальной научно-практической задачи - повышению качества цементирования обсадных колонн за счет использования РТЦ.

Объем работы

Диссертационная работа изложена на 124 стр. машинописного текста, включая 32 таблицы, 10 рисунков и 4 фотографии.

Состоит из введения, 4 разделов, выводов и приложений. Список использованной литературы включает 54 наименования. Неоценимую помощь при выполнении работы оказали сотрудники НИИСтромпроекта, СредАзНИИгаза, ТашГТУ, д.т.н Нудельман Б.И., д.т.н Мамаджанов У.Д.,, к.т.н. Климашкин И.И, к.х.н Умаров Т.Ю., д.т.н. Атакузиев Т.А, д.т.н Данюшевский B.C., к.т.н.Хасанов Т.Р. д.т.н Гасумов Р.А. которым диссертант выражает свою признательность и благодарность.

Заключение диссертации по теме «Технология и техника геологоразведочных работ», Сорокин, Леонид Александрович

4 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Экспериментальными исследованиями установлено, что расширяющие добавки можно получить за счет использования следующих материалов: жженой магнезии, каустического магнезита Челябинского металлургического комбината, хлорида натрия и др.

2.Выявлено, что величина линейного расширения цементного камня на основе известных расширяющих добавок и цементов на их основе (РТЦ) в интервале температур применения 60-110°С после начало схватывания, составляла 0,2-0,25%, что недостаточно для цементирования мощных проницаемых терригенных отложений,

3. На основании проведенных исследований на основе карбонатного сырья и соединений железа разработаны расширяющиеся тампонажные цементы для крепления скважин с геостатической температурой 60-120°С и с коэффициентом линейного расширения цементного камня более/^гюсле начала схватывания ! X.

4 Разработаны расширяющие добавки на основе карбонатного сырья различного минералогического состава обеспечивающие получение линейного расширения цементного камня в пределах 0,53-1,52% для скважин с температурой 60-120°С

5.Выявлено, что обжиг сырья для получения расширяющих добавок необходимо вести при температурах 1100-1300°С с выдержкой 2-3 часа.

6. Установлено, что разработанные расширяющиеся добавки не оказывают существенного влияния на изменение плотности цементных растворов. Регулирование времени загустевания тампонажных растворов с расширяющей добавкой можно проводить за счет использования известных реагентов: полисахаридов, лигносульфонатов, дубителей.

S3

7. Исследованы расширяющие добавки на основе шлаков цветной и черной металлургии и промышленных продуктов; жженая магнезия, хлорид натрия, каустический магнезит Челябинского, Карагандинского комбинатов.

8. Опытно-промышленными испытаниями установлено, что за счет использования разработанных расширяющихся цементов при цмементировании эксплуатационных колонн качество цементирвания скважин по результатам АКЦ повышается до 85%.

9.Результаты теоретических и экспериментальных исследований явились основанием для внедрения разработанных РТЦ на месторождении Шуртан при цементировании эксплуатационных колонн, и включения их в проекты на строительство эксплуатационных скважин.

10. Из разработанных расширяющих добавок на основе выпускаемых промышленностью продуктов, можно рекомендовать к промышленной апробации следующие; жженую магнезию, шлаки металлургических комбинатов, хлорид натрия.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сорокин, Леонид Александрович, 2004 год

1.Данюшевский B.C., Лиогонькая Р.И. Расширяющийся тампо-нажный цемент для газовых скважин. // Цемент.-1966.- №2.- С. 1011.

2. Луценко Н.А., Кантакузен А.В. О пересмотре методике испытаний тампонажного цемента. Нефтяное хозяйство .-1958.- № 5.-С.24-27. Обзоры зарубежной литературы «Цементные растворы и добавки к ним» М.

3. Агишев А.Л Исследование цементного камня в экспериментальных буровых скважинах. Газовая промышленность .- 1969.- № 6.- С.

4. Буровые растворы и цементирование скважин в солевых отложениях / Булатов А.И. и др. Ташкент, 1976. с.

5. Видовский А.Л., Булатов А.И. Напряжение в цементном камне глубоких скважин .-М., Недра, 1977. с.

6. Разработка технологии крепления скважин с целью обеспечения герметичности заколонного пространства на месторождении Шуртан.-Отчет СредАзНИИГАЗА, Ташкент, 1981.- 120 с.

7. Каримов Н.Х., Губкин Н.А. Исследование и разработка расширяющихся тампонажных смесей их влияние на герметичность заколонного пространства. -РНТС Бурение.-1975.- №9.- С. 21.

8. Летченко Р.К. Затрубные выбросы после цементирования обсадных колонн.- Азербайджанское нефтяное хозяйство .- 1954.- №8.-С. 12-15.

9. Беллер И.Н. Цементирование экспериментальных колонн и применение специальных цементов Сб. научн. статей: Вопросы производства тампонажных цементов и технологии цементирования нефтяных скважин.- М., ГОСИНТИД961.-С. 59-77.

10. Саркисов В.М. ,.Лихачев Ю.И. О влиянии объемных изменений при твердении тампонажных цементов в скважине /Сб. научн. статей: Крепление скважин и разобщение пластов.-М.,Недра,1964.-С. 21-36.

11. Герасимов М.П., Ломоносов В.В., Чжао П.Х. Тампонажные расширяющиеся цементы.- Бурение газовых и газоконденсатных скважин .- 1980.- №4. С.

12. Авторское свидетельство СССР 579250 БИ Авторы И.А.Крыжановская, Г.В.Должкова ,М.Ф.Дорфман , опубликовано БИ 18 197615. Патент США № 3837714

13. Авторское свидетельство СССР №256592 БИ Авторы С.И.Данюшевский ,Р.И.Лиогонькая и Л.Г.Судакас, опубликовано БИ14 1968

14. Заявка Японии кл. В-2 № 49-8457

15. Сагуа Д.А. ,Чжао П.Х. Исследование процессов твердения клинкерных минералов и тампонажных цементов в условиях солевой агрессии при высоких температурах и давлениях .- Киев, Наукова думка,1977.- С. 135-136.19.Патент Австрии W -436225

16. Авторское свидетельство СССР №243473 БИ Авторы И.В.Кравченко,И.А.Кузнецова, Г.И.Чистаков

17. Авторское свидетельство СССР №154245 БИ№15 1968 Авторы Г.Г.Александров ,.80

18. Авторское свидетельство СССР №1089242 БИ 34 19 Авторы Т.В. Кузнецова. , С.И.Иващенко ,

19. Кравченко И.В. Расширяющиеся цементы .-М, .Госстройиздат, 1962.- С. 155.

20. Шейкин А.Е., Якубов Т.Ю. Безусадочный портландцемент. -М., Стройиздат, 1967.- С. 283.

21. Фридман В.М., Чжао П.Х. Новые расширяющиеся тампонаж-ные цементы.- В кн. Нефть и газ .- М.,Недра, 1968. С.

22. Клюсов А.А. Свойства расширяющихся цементных растворов при пониженных температурах.- Нефтяное хозяйство.- 1981.- №3.- С. 24-28.

23. Giegrhan N.C. Frtik cement and cementing Can Petrol 1972 ,.11. N4 p 49-55.

24. Сериков А.С., Мухин JI.К. Использование отходов доломитового производства в качестве тампонажных материалов .- Нефтяное хозяйство .- № .- С. 30-33.29. «Авторское свидетельство № 366164. БИ , Авторы Я.М. Сыркин, И.Л. Крыжановская и др

25. Авт. свид. СССР №243385 G04 БИ Авторы И.В. Кравченко, И.А. Кузнецова и др.

26. Влияние водоотдачи цементного раствора на физико механические свойства цементного камня Авилов С.И. и др. - Бурение газовых и газоконденсатных скважин .- 1978.- № 1.- С.

27. Тампонажные расширяющиеся цементы .-Бурение газовых и газоконденсатных скважин .- 1980.- № 4.- С.

28. Флиер П.М. Напряжение в цементном камне глубоких скважин. -М., Недра, 1975. С.

29. Кравченко И.В. «Расширяющиеся цементы»М .Госстройиздат 1966.г 86 с

30. Лермат Р. Проблемы технологии бетонов,- М, Стройиздат 1959.- 294 с.

31. Зб.Эйдельман Э.Я. Исследование статической работы бетонных гидротехнических сооружений в натуральных условиях.-М., ГОС-энэргоиздат,1954.-134 с.

32. Флиер П.М, Видовский JI.J1., Булатов А.И. Напряжения в цементном камне глубоких скважин.-М., Недра, 1977. 58 с.

33. Беликов А.С. и др Обоснование пределов расширения и самонапряжения тампонажных материалов .-Нефтяная и газовая промышленность.- 1984.- №1. С. .

34. Рассширяющийся цемент для холодных скважин Хегай Д.Б., Сорокин Л.А., Екшибаров В.С, Иванникова Н.А. «Геология, бурение и разработка газовых месторождений».- 1980.- №5.

35. Применение умеренно расширияющихся цементов при креплении скважин ХасановТ.Р., Поляков Г.А., Хегай Д.Я. Абрамович Л.А., Сорокин Л.А. «Бурение газовых и газоконденсатных скважин». - 1979.- №4.

36. Авторское свидетельство СССР 1512942 Е21В44 БИ№37 1989г «Способ получения РД к тампонажным цементам». Авторы Сорокин Л.А., Умаров Т.Ю., Аксенов К.И.

37. Авторское свидетельство СССР 899985 Е21В БИ№3 1982г Авторы Мамаджанов У.Д., Сорокин Л.А., Хасанов Т.Р. «Тампонаж-ный раствор»

38. Авторское свидетельство СССР 953844 БИ№31 1982г Авторы Хасанов Т.Р.,Сороктн Л.А. Абрамович Л.А. «Тампонажная смесь»

39. Авторское свидетельство СССР 1596071 БИ№36 1990г «Способ получения тампонажного раствора.» Авторы Сорокин Л.А., Аксенов К.И., Умаров Т.Ю.

40. Положит решение по заявке 4308664 Добавка к там-понажному цементу и способ ее получения. Авторы Сорокин Л.А.,Умаров Т.Ю

41. Н.А. Торопов,Е.А. Борзановский .В.В. Лапин,Н.Н. Кудрявцев ,А.А.Бойкова .Диаграммы состояния силикатных систем .Справоник т.13,Изд-во «Наука»».Л 1972,448с

42. М.Е.Порзин «Технология минеральных солей» Из-во «Химия» JI.1970,часть 1,791с

43. А.П.Осонин «Научное наследие и развитие идей член-корреспондента АН СССР В.В. Тимашева, 2 Международное совещание по химии и технологии цемента. М,2000,том1, 8-23

44. Б.И. Нудельман «Энергосберегающая низкотемпературная технология цемента» Из-во Мехнат,Ташкент, 1983,365с