ЦЕМЕНТИРОВАНИЕ БУРОВЫХ СКВАЖИН (2003 год) - часть 4

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТАМПОНАЖНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Большое разнообразие условий цементирования буровых скважин требует применения различных по свойствам тампонажных материалов. Основными свойствами, обеспечивающими их соответствие условиям цементирования, являются:

- плотность;

- активность;

- термостойкость;

- коррозионная стойкость.

Номенклатура цементов, выпускаемых по ГОСТ 1581-96, не обеспечивает необходимой потребности промысловой практики в тампонажных материалах с отличающимися свойствами.

Кроме упомянутых, к числу стандартизованных цементов можно отнести композиционные материалы, разработанные и изготавливаемые ОАО НПО «Бурение» в соответствии с ТУ 39-00147001-170-97 (введены с 07.10.97 без ограничения сроков действия). Эти материалы в зависимости от условий применения подразделяются на марки, отличающиеся своими свойствами. Каждая марка имеет от 4 до 6 модификаций, свойства которых достаточно приближены к условиям цементирования отдельных интервалов.

Марки по назначению подразделяются в следующем порядке:

• ЦТТ-160 - цемент тампонажный термостойкий для цементирования интервалов с геостатической температурой от 80 до 160 °С;

• ЦТТ-250 - цемент тампонажный термостойкий для цементирования интервалов с геостатической температурой от 150 до 250 °С;

• ЦТТУ 1-160 - цемент тампонажный термостойкий утяжеленный для цементирования интервалов с аномально-высокими пластовыми давлениями (АВПД) и геостатическими температурами от 80 до 160 °С;

• ЦТТУ 2-160, то же, что и ЦТТУ 1 -160, но для интервалов с градиентами пластового давления более 2,16 МПа/10 м;

• ЦТТУ 1-250, то же, что и ЦТТУ 1 -160, но для геостатиче-ских температур от 150 до 250 °С;

• ЦТТУ 2-250, то же, что и ЦТТУ 1-250, но для интервалов с градиентами пластового давления более 2,16 МПа/10 м.

Основные свойства перечисленных материалов и каждой модификации приведены в табл. 17.

Кроме перечисленных материалов в практике цементирования скважин применяют различные нестандартные тампонажные материалы в виде смесей вяжущих с наполнителями. Подбор рецептур этих смесей и их растворов производят в лабораторных условиях.

Для цементирования хвостовиков и обсадных колонн малого диаметра с малыми зазорами заколонного пространства необходим цемент, обеспечивающий высокую прочность цементного камня.

Один из вариантов такого цемента был разработан спепиалистами США. Этот цемент представляет собой вяжущий материал, состоящий из калиброванных частиц с определенной массой каждого размера. В растворе этого цемента частицы распределяются в таком порядке, когда пространство между крупными частицами заполняется мелкими, соприкасаясь между собой.

При этом объем свободного пространства соответствует минимальному водоцементному отношению. Известно, что количество воды, необходимой для гидратации при получении цементного камня высокой прочности, составляет 22-26 % от массы сухого материала. Объем и размеры частиц при приготовлении такого цемента выбирают таким образом, чтобы это условие было обеспечено.

Расположение цементных частиц в таком порядке сводит к минимуму наличие свободной воды в растворе, что способствует повышению прочности цементного камня, которая в 1,5-2 раза выше, чем у камня из стандартных цементов.

МАТЕРИАЛЫ - ДОБАВКИ ДЛЯ ТАМПОНАЖНЫХ СМЕСЕЙ

Кварцевый песок

Применяют в тампонажных смесях для повышения термостойкости .цементного камня и в качестве инертного наполнителя в тампонажных растзорах. Для цементирования скважин с гео-статической температурой выше 90 °С применение чистого портландцемента не рекомендуется, так как цементный камень, образуемый в этих условиях, обладает чрезмерной пористостью, трещиноватостью и разрушается при незначительных нагрузках. Добавление кварцевого песка в количестве 20-30 % от веса сухого цемента повышает термостойкость цементного камня, обеспечивая ему достаточную прочность. Наиболее целесообразно применение молотого песка, обладающего большей удельной поверхностью, способствующей повышению активности при гидратации в условиях повышенной температуры. Применяя песок естественной крупности, необходимо подвергнуть его просеиванию. Годным для использования является песок, просеянный через сито с ячейками 0,15 мм с остатком на сите не более 30 %.

Предназначенный для повышения термостойкости песок должен соответствовать ГОСТ 8736-85, в соответствии с которым

SiО2 должно быть не менее 90 %, глины не более 5 %, слюды не более 5 %. К песку, применяемому в качестве инертного наполнителя, эти требования не предъявляются. При использовании песка в тампонажных смесях с целью повышения абразивности растворов, улучающей сцепление цементного камня с поверхностями заколонного пространства, выбирают крупнозернистый песок с соответствующими свойствами.

Кварцевый песок является дешевым природным материалом и в отдельных случаях может применяться при цементировании скважин в целях экономии дорогостоящего портландцемента, снижая этим стоимость цементировочных работ.

Бентонитовый глинопорошок

Применяется в составе тампонажных смесей для получения облегченных растворов. Плотность таких растворов понижают применением повышенных значений водоцементного отношения. Глина в таких растворах играет роль стабилизатора, предотвращающего седиментацию, повышает коллоидные свойства, что способствует понижению фильтратоотдачи при цементировании. Облегчающим агентом является избыточная вода.

Способ приготовления облегченных тампонажных растворов из цементоглинистых смесей называют «сухим».

В отличие от «мокрого» способа, когда глину вводят в воду затворения и выдерживают длительное время до полного роспуска, приготовление раствора «сухим» способом в отличие от «мокрого» не требует специальных емкостей для аккумулирования жидкости затворения и дополнительного времени для роспуска глины.

Выход тампонажного раствора из 1 тонны цементоглинистых смесей превышает портландцементный.

При ослабленных требованиях к прочности цементного камня такие смеси могут применяться с целью экономии дорогостоящего портландцемента.

При использовании глинопорошков, выпускаемых в соответствии с ТУ 39-00147001-105-93 для «сухого» способа не рекомендуется применение модифицированного бентонита марок: ПБМБ; ПБМВ и ПБМГ с содержанием кальцинированной соды. Растворы из таких смесей обладают слишком высокой вязкостью, существенно влияющей на прокачиваемость тампонажных растворов. Кроме того, содержание Na2CО3 до 4,5 % замедляет сроки их схватывания, что в отдельных случаях крайне нежелательнб.

В приготовлении облегченных тампонажных растворов «мокрым» способом применение глинопорошков перечисленных марок предпочтительней, так как выход раствора из одной тонны модифицированного материала значительно выше (до 16 м3/т).

В практике цементирования скважин в качестве облегчающих тампонажный раствор добавок применяют материалы относительно низкой плотности, такие, как перлит, гельсонит, вермикулит и др. В последнее время все чаще применяют материалы, содержащие мельчайшие частицы, наполненные газом или воздухом, так называемые микросферы.

Существуют два вида таких материалов: природного происхождения и как продукт промышленного производства.

К первому относятся золы тепловых электростанций, мельчайшие поры которых заполнены газом. Прочность оболочек частичек материала различная и часть их разрушается под действием давления окружающей их жидкости.

В связи с этим, перед применением таких материалов при цементировании скважин необходимо подвергнуть их испытанию под соответствующим давлением. Получив результаты плотности их растворов до и после испытаний, можно определить поправочный коэффициент.

Микросферы, представляющие собой мельчайшие стеклянные пузырьки с достаточно прочной оболочкой, способны выдерживать практически любое рабочее давление в процессе цементирования скважин. Единственной причиной, сдерживающей их широкое применение, является высокая цена.

Утяжелители тампонажных растворов

Наиболее часто применяемой добавкой для утяжеления тампонажных растворов является барит, массовое производство которого организовано на ОАО «Ильский завод «Утяжелитель» -НПО «Бурение». Свойства этого материала обеспечивают доступную технологию приготовления тампонажных смесей с различным соотношением компонентов. Эффективной и более дешевой утяжеляющей добавкой является также барито-магнетитовый концентрат- макбар.

Этот материал обладает более высоким значением плотности, что способствует снижению расхода его при получении утяжеленных тампонажных растворов.

При выборе типа утяжелителя необходимо учитывать его-прочие свойства, способные повлиять на качественные показатели приготавливаемого раствора. Основные из них перечислены в табл. 18.

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОРОШКОВЫХ ТАМПОНАЖНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Разработка технологий приготовления сухих тампонажных смесей, организация их погрузки, транспортировки и хранения осуществляется с учетом их физико-механических свойств. Ниже изложены основные из них, играющие роль при выполнении указанных выше работ.

Гранулометрическим составом порошкообразных материалов называют количественное распределение частиц, материала по их крупности, которая определяется линейным размером. От гранулометрического состава в значительной степени зависят такие свойства, как объемный вес, уплотняемость, сжимаемость, величина внутренних сил трения и сцепления, угол естественного откоса, способность материала к аэрированию, слеживаемость, сво-дообразование, водоотделение в растворах и пр.

Порошкообразные материалы характеризуются преимущественным преобразованием частиц размером 0,05-0,5 мм. Материалы, в которых преобладают частицы размером более 0,05 мм принято считать зеркальными, менее 0,05 мм - пылевидными.

Для тампонажных цементов показатели гранулометрического состава и тонкость помола выражены удельной поверхностью, которая определяется по ГОСТ 21043 с помощью прибора ПСХ.

Удельную поверхность в м2/кг вычисляют как среднеарифметическое значение результатов двух определений, если их расхождение не превышает 2 %. Если расхождение превышает эту величину, проводят третье определение и за окончательный результат принимают среднеарифметическое результатов наиболее близких по значению определений. Если третье определение не входит в диапазон 2 % с одним из первых определений, испытания признают недействительными и определение повторяют по новой навеске цемента

Объемный (насыпной) вес - S определяется обычно в свободно насыпном состоянии в лабораторных условиях.

Объемный вес материала зависит, в первую очередь, от удельного веса его плотной массы, а также от тонкости его помола, пористости и влажности.

Уплотняемость и сжимаемость материалов определяются отношением величины объемного веса в свободно-насыпном (взрыхленном) состоянии.

При определении уплотненного состояния различают уплотнение материала в результате утряски (вибрации) и уплотнении его под действием нагрузки от собственной массы. Эти два вида состояния порошкообразных материалов обусловлены соответствующими коэффициентами:

ТАМПОНАЖНЫЙ ЦЕМЕНТ, ВЫПУСКАЕМЫЙ ПО СТАНДАРТАМ АМЕРИКАНСКОГО НЕФТЯНОГО ИНСТИТУТА (API)

Выпускаемый по стандартам API тампонажный цемент включает девять классов, отличающихся своими свойствами.

Каждый из классов предназначен для определенных условий применения, Основные данные цементов по классам приведены в табл. 20.

Значения цементируемых интервалов, обозначенных в табл.20, определяют условия применения цементов ориентировочно. Основным фактором, определяющим условия цементирования, является температура, которая может отличаться в тех же интервалах разных скважин в зависимости от значений геотермического градиента. Влияние температуры на сроки загустевания растворов из цемента разных классов показано на графиках (рис.35).

Степень сульфатостойкости цементов не имеет численных значений и соответствие ее конкретным условиям цементирования в случаях необходимости определяют опытным путем в лабораториях.

Цементы разных классов, как показано в табл.20, обладают различной тонкостью помола, что требует соответствующего водоцементного отношения для приготовления растворов. Площадь общей поверхности частичек цемента грубого помола меньше, чем у цемента более тонкого помола и требует меньшего количества воды для процесса гидратации.

Выход тампонажного раствора из одной тонны цемента разных классов, отличающихся тонкостью помола и водоцементным отношением, будет разный, о чем свидетельствуют данные табл.21.

В мировой практике цементирования скважин, как правило, применяют тампонажные цементы, выпускаемые по стандартам API фирмами многих стран. Наиболее популярные из них, поставляющие продукцию на мировой рынок, перечислены в табл.22.

Кроме классифицированных цементов, выпускаемых по стандартам API, в США применяют различные специальные тампонажные материалы для особых условий цементирования. Номенклатура этих материалов содержит десятки наименований, но большинство из перечисленных представляют собой тампонаж-ные смеси, основным компонентом которых является стандартный цемент, как правило, классов G и Н, реже А и В. К числу чистых спеццементов можно отнести наиболее часто применяемые: пуццолановый (pozzolanic-portand cement), известково-пуццолановый (pozzoland-lime cement), гипсовый (dupsuncement), расширяющийся (expanding cement), морозостойкий (cement for permafrost environments) и пр.

В качестве добавок, регулирующих свойства растворов из смесей, применяют различные материалы, номенклатура которых содержит несколько видов материала одного назначения, но различных по свойствам. Предпочтение при выборе отдают добавке, которая в более полной мере соответствует условиям цементирования.

Для приготовления облегченных тампонажных растворов используют материалы, способные связывать избыточную воду при высоких значениях водоцементного отношения, которые являются основным фактором снижения плотности раствора.

К числу таких материалов относятся:

- бентонит;

- пуццолан;

- диатомовая земля;

- гельсонит;

- дробленый уголь

К понижающим плотность добавкам относятся также материалы, содержащие газо-или воздухонаполненные частицы, так называемые микросферы.

Некоторые из перечисленных материалов применяют не только для понижения плотности тампонажных растворов, но и как регуляторы других свойств. Так, бентонит применяют с целью понижения водоотдачи раствора, пуццолан - для понижения проницаемости цементного камня и т.д.

Для получения тампонажных растворов повышенной плотности в качестве добавок применяют целый ряд материалов, наименование и основные свойства которых изложены в табл.23.

ПРИГОТОВЛЕНИЕ композиционных ТАМПОНАЖНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Сложные условия цементирования отдельных скважин требуют применения тампонажных материалов соответствующих свойств.

Приготовление таких материалов в основном осуществляют в местных условиях силами тампонажных служб. Учитывая сложность хранения и изменение их свойств во времени приготавливаемые объемы этих материалов не превышают потребности одной конкретной скважины или группы скважин. Наиболее простым способом приготовления композиционных тампонажных материалов является смешивание их дозированных компонентов

с помощью двух смесительных установок УС6-30 и шнекового транспортера или погрузочного шнека ПШ, подающего готовую смесь в бункер третьей установки (рис.36).

Дозирование компонентов осуществляется включением соответствующих передач коробки КПП, обеспечивающих работу дозирующих шнеков в заданном режиме. Контроль за качеством приготовленной смеси осуществляют отбором проб и определением их свойств в условиях лаборатории. В случае необходимости для получения более однородной по составу смеси производят ее перебункеровку, перегружая в бункер освободившейся от материала установки. Полная однородность смеси достигается в процессе приготовления из нее раствора с применением осредни-тельной установки.

Производительность приготовления композиционных тампо-нажных материалов описанным способом не велика, а использование трех смесительных установок значительно повышает их стоимость. В связи с этим, при увеличении потребности в таких материалах более целесообразно соорудить специальную установку, используя для этой цели отработанный бункер смесительной установки, установив внутри перегородку вдоль оси, образующую два отдельных отсека.

Работа установки должна обеспечиваться электроприводом и трансмиссией, включающей устройства для регулирования частоты вращения дозирующих шнеков. Такие установки используют многие тампонажные службы и другие организации, снабжающие потребителей тампонажными материалами. Общий вид такой установки и схема устройства показаны на рис. 37 и 38. Установка такого типа эксплуатируется на Ильском заводе «Утяжелитель». Основные сведения о ней заключаются в следующем.

Состав установки и ее техническая характеристика

При большой потребности в тампонажных смесях (до 1 ООО т в месяц) применяют установки, более сложные по устройству с увеличенной вместимостью для накопления компонентов смеси. Примером служит установка для приготовления сухих глино- и тампонажных смесей, включающая четыре бункера цементосмесительной установки УС6-30 (рис. 39).

Рис. 39 Механизированная установка конструкции тампонажной конторы Альметьевского УБР для приготовления сухих глино- и гипсоцементных тампонажных смесей

Дозирующие шнеки каждого бункера подают компоненты смеси в заданном соотношении в приемный люк ковшового элеватора для загрузки готовым материалом накопительных бункеров. Созданная по такому принципу установка долгие годы успешно эксплуатируется в тампонажном хозяйстве г. Альметьевска, обеспечивая необходимую потребность в композиционном тампонажном материале, удовлетворяющем технологическим требованиям цементирования скважин в Татарстане.

При необходимости приготовления больших объемов тампо-нажных смесей и их длительного хранения (до одного месяца и

более) смесительные установки различных конструкций сооружают в составе крупных цементохранилищ. Примером служат установки (одна для облегченных, другая - для утяжеленных тампонажных смесей) такого типа, которые были сооружены в составе механизированного прирельсового цементного склада на ст. Хабль, принадлежащего ОАО «Роснефть-Краснодарнефтегаз». Схема склада с установкой для приготовления утяжеленных цементопесчаных смесей показана на рис. 40.
В связи с высоко абразивными свойствами кварцевого песка в качестве дозирующего устройства применяют тарельчатый питатель, так как шнековый дозатор в данном случае не приемлем.

Приготовление композиционных тампонажных материалов, потребность которых составляет тысячи тонн, наиболее целесообразно осуществлять централизованно и поставлять их потребителям в установленном порядке.

В местных условиях следует готовить уникальные по свойству тампонажные материалы, свойства которых подбирают в зависимости от конкретных условий цементирования.

ПОРЯДОК, МЕТОДЫ ХРАНЕНИЯ И ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ ТАМПОНАЖНЫХ МАТЕРИАЛОВ

В организации цементировочных работ важным является выбор способов хранения тампонажных материалов и методов их доставки потребителю. Недостаточное внимание при решении этих задач приводит к значительным потерям цемента и сложностям в подготовке и проведении цементировочных операций на скважинах. Наиболее острой проблемой, возникающей в результате неудовлетворительного хранения материала, является изменение или потеря специфических его свойств, обеспечивающих качественное цементирование скважин.

Условия хранения тампонажных материалов, в первую очередь, должны соответствовать требованиям ГОСТ 30515-97 и нормам «Инструкции по креплению нефтяных и газовых скважин» РД 39-00147001-767-2000. Кроме этого, существуют условия, которые требуют применения особых способов хранения материалов и их транспортирования. К числу таких условий следует отнести хранилища для бестарного цемента с применением пневмотранспорта для погрузочно-разгрузочных работ. Основным требованием к работе таких хранилищ является использование сухого воздуха в системе пневмотранспорта, который при контакте с цементом не должен повышать его влажность, норма которой не более 2 %. На практике это условие на большинстве существующих хранилищ не выполняется. Например, на складах типа МС-900, несмотря на наличие в их составе осушителей воздуха, образование комков из прогидратированного цемента происходит постоянно, при этом в отвал уходит до 2-4 % материала.

Склад МС-900, схема которого представлена на рис.41, выпускался ранее заводом «Красный Молот» (г. Г розный), не считая упомянутой проблемы, является более совершенным сооружением для хранения и перебункеровки порошкообразных материалов. Вместимость склада, состоящего из десяти горизонтально расположенных силосов 3, составляет 900 т. Материал поступает из вагонов, подаваемых по железнодорожной ветке 1. Для разгрузки материала в вагоны подают воздух по коллектору 5 через отвод 8. Загрузка силосов цементом осуществляется через отводы 2, а разгрузка - через отводы 4 под давлением сжатого воздуха, подаваемого из компрессорной станции 6 через ресивер и осушитель 7 и коллектор 10. Для отчистки поступающего из силосов воздуха от пыли установлены пылеотделители 9, обвязанные с силосами трубопроводом 11. Компрессорная станция включает 10 компрессоров КСЭ-5М, каждый из которых способен подавать воздух до 5 м3/мин воздуха под давлением 0,8 МПа. Этого достаточно, чтобы загрузить или разгрузить два силоса за 90 минут.

В отличие от МС-900 на механизированных прирельсовых складах старой постройки, где для погрузочных работ используются ковшовые элеваторы, образование отходов цемента в таких количествах не наблюдается. Несмотря на это обстоятельство, применение пневмотранспорта на цементохранилищах более целесообразно. Его основным преимуществом по сравнению со шнековыми транспортерами и ковшовым элеватором являются меньшая энергоемкость, простота устройства, облегчающая обслуживание, и возможность подачи материала на большие расстояния. При этом снижение потерь цемента достигается достаточным осушением воздуха. Следует учитывать еще одно важное условие - обеспечение максимальной разницы температур цементной массы и окружающей среды. В противном случае образование точки росы и влаги на внутренней поверхности стенок силосов будут способствовать гидратации пристенного слоя цемента в силосе. Это явление, главным образом, наблюдается на цементохранилищах морских буровых установок.

Многолетний опыт работы таких складов в гг. Альметьевске,

Грозном, ст. Хаб ль (ОАО «Роснефть-Краснодарнефтегаз») подтверждает это. К числу причин, способствующих образованию отходов цемента в большом количестве, относится слежи-ваемость материала, которая происходит в результате его длительного хранения без движения. Под действием нагрузки от собственной массы часть цемента уплотняется, превращаясь в плотные комки.

Основным мероприятием по предотвращению этого процесса является периодическая перебункеровка материала. На хранилищах, расположенных непосредственно на буровых объектах (кустах, морских буровых основаниях и др.), последнюю пере-бункеровку необходимо производить не ранее, чем за одни сутки до начала цементирования. Последняя перебункеровка должна производиться с одновременным просеиванием материала с целью отделения комков, размеры которых регламентированы условиями работы гидровакуумных смесителей.

Важным условием, обеспечивающим нормальную работу це-ментохранилищ в сложных условиях, является соответствующий порядок их обслуживания. Наглядным примером могут служить профилактические мероприятия при обслуживании хранилища на морских буровых установках, применяемые фирмой Halliburton (США) [26]. Ниже приводится перечень мероприятий, которые фирма проводит ежеквартально на 44 морских буровых установках.

содержание .. 2 3 4 5 ..