Методы ограничения водопритока при строительстве и эксплуатации скважин
Основным материалом, используемым при креплении, ремонте и физической ликвидации скважин на нефтяных месторождениях Татарстана, является обычный портландцемент. Однако разнообразные геохимические условия, в которых находится крепь из тампонажного портландцемента, делают его недостаточно надежным материалом. С ростом глубины скважин увеличивается агрессивность пластовых флюидов, среди которых наиболее опасным является сероводород в различных агрегатных состояниях. В связи с этим, автором совместно с НТЦ "Белит" (г.Уфа), разработаны коррозионностойкие составы на основе портландцемента и глиноземистого цемента, стойкие по отношению к солевой агрессии и сероводороду.
Известные, серийно выпускаемые цементы, устойчивые к воздействию сероводорода, находят применение лишь в узком интервале температур и неприменимы в условиях нефтяных месторождений Татарстана.
Как известно из литературы, к соединениям, способным формироваться в широком диапазоне температур и отличающихся повышенной стойкостью к сероводороду, сульфатной и магнезиальной агрессии, относятся алюминатные гидрогранаты кальция. Однако проблемой их получения в составе цементного камня является необходимость подбора вида глинозема и кремнеземсодержащего сырья. Для обеспечения широкого температурного интервала их получения, а также регулирования физико-механических и технологических свойств раствора и камня на основе подобного цемента наиболее предпочтительно применение сочетания в составе цемента низкоосновных алюминатов кальция, а также трехкальциевого силиката – алита, обладающих примерно равными скоростями гидратации. Это обеспечивает формирование новообразований с необходимыми физико-механическими свойствами камня в широком диапазоне водоцементных отношений и возможность применения при температурах менее 400С. Как показали исследования, с этой целью в качестве компонентов можно использовать глиноземистый цемент ГЦ-40 и традиционно используемый тампонажный портландцемент ПЦТ-Д20-50.
Физико-механические свойства цементного камня, полученного посредством предложенного состава, находятся на уровне требований ГОСТ 1581-96. При получении цементного камня из глиноземистого и портландцемента формируется структура, не имеющая сквозных каналов, по которым возможна миграция агрессивных пластовых флюидов. Однако, учитывая свойства сероводорода, с целью повышения вероятности получения замкнутой пористости на самых ранних стадиях твердения, водоцементное отношение должно быть минимальным. Камень в этом случае будет обладать минимальной пористостью и проницаемостью.
Разработанный состав улучшает качество изоляции пластов за счет отсутствия: деструктивных процессов при длительном твердении цемента в условиях воздействия сероводорода; сквозных каналов по объему цементного камня, обусловленных седиментационной устойчивостью и наличием, вследствие этого, у камня улучшенных деформационных свойств, а также увеличением давления гидропрорыва в системе «порода-глинистая корка-цементный камень обсадной колонны».
Рекомендуемый цемент может применяться при строительстве и ремонте скважин, а также в скважинах, подлежащих физической ликвидации, ввиду невозможности ее дальнейшей эксплуатации по техническим или геологическим причинам. Такой коррозионностойкий состав предназначен для цементирования скважин, содержащих в своем разрезе сероводородсодержащие горизонты или другие виды пластовых флюидов, являющихся высокоагрессивными по отношению к цементному камню.
Состав представляет собой механическую смесь глиноземистого цемента ГЦ-40 и тампонажного портландцемента в соотношении 7:3-9:1. Допускается дополнительное содержание 25-35% высокодисперсного кремнеземсодержащего сырья с удельной поверхностью 0,28-0,5 м2/г.
Приготовление состава в промысловых условиях осуществляется объемным методом, путем последовательного затаривания этих цементов в соотношении 7:3-9:1 с последующим перемешиванием при помощи шнеков смесителя и перезатаривания (два раза) из одного смесителя в другой.
Исследовали прочностные характеристики камней из портландцемента и камней из смеси глиноземистого цемента с портландцементом, хранившихся в течение года в дистиллированной воде, а также различных водных растворах, содержащих Na2SO4 (9 %), MgSO4 (7 %), MgCI2(6 %), H2S (290 мг/л) соответственно. Результаты исследований свидетельствуют, что камень на основе смеси цементов обладает повышенной стойкостью к сульфатной, магнезиальной, хлоридной и сульфидной коррозии. Это подтверждается отсутствием снижения прочности на изгиб образцов из смеси цементов в упомянутых корозионно-активных средах.
При выполнении исследовательских работ по влиянию добавок пластовой девонской воды и ее концентратов на прочностные свойства цементного камня из портландцемента выявлено увеличение прочности на изгиб (рис. 11).
1 – пресная вода; 2 – исходная пластовая вода: CaCI2 – 4,0; MgCI2 – 1,0; NaCI – 11,2 %;
3 - пластовая вода с пониженным содержанием хлорида магния: CaCI2 – 4,0; MgCI2 – 0,15; NaCI – 8,0 %; 4 - раствор хлористого кальция: CaCI2 – 4,0 %.
Рисунок 11.- Прочностные характеристики цементного камня, затворенного на пресной воде, пластовой воде и растворе СаCI2. Среда хранения - пластовая вода.
Повышение прочности цементного камня достигается за счет присутствия хлоридов кальция и натрия в пластовой воде нефтяного месторождения, которая добавляется в жидкость затворения.
Такая добавка обеспечивает появление дополнительного положительного результата: увеличение непроницаемости, улучшения сцепления с обсадными трубами и стенкой скважины, уменьшение магнезиальной коррозии цементного камня.
Для приготовления жидкости затворения с заданным соотношением солей натрия, кальция и магния использовали пластовую воду девонского горизонта. Для удаления MgCI2 из пластовой воды нефтяного месторождения в виде Mg(ОН)2 использовали строительную известь Ca(OH2) (ГОСТ 9179-77). Вследствие того, что растворимость Mg(ОН)2 (0,018 г/л) значительно меньше, чем Са(ОН)2 (1,6 г/л), реакция идет в сторону образования Mg(ОН)2.
Для более полного осаждения хлорида магния известь была введена с избытком. Введение в пластовую воду 20 г/л извести обеспечило снижение содержания хлорида магния до 0,30 %. При дальнейшем разбавлении пластовой воды для приготовления жидкости затворения в 2 и более раз содержание хлорида магния уменьшается до 0,15% и менее. Эта концентрация принята в качестве верхнего предела содержания хлорида магния в жидкости затворения.
С целью определения влияния солей (CaCI2, MgCI2 и NaCI в разных сочетаниях) на основные характеристики тампонажного цементного раствора и цементного камня для приготовления цементного раствора с постоянным водоцементным отношением, равным 0,5, в качестве жидкости затворения использовали очищенную от хлористого магния исходную пластовую воду плотностью 1189 кг/см3, разбавленную водопроводной водой, и растворы хлорида кальция в водопроводной воде. Плотности очищенной и разбавленной пластовой воды до содержания в ней хлорида кальция 5 %; 4 %; 3 %; и 2 % составили 1147, 1102; 1072 и 1051кг/м3 соответственно.
Прочностные характеристики цементного камня значительно возрастают при содержании в жидкости затворения 3% хлористого кальция и 6% хлористого натрия. Прочности на изгиб и сжатие составили 4,8 и 11,8 МПа, но при этом уменьшается растекаемость цементного раствора. При содержании в воде затворения 5% хлористого кальция и 10% хлористого натрия растекаемость составила 14 см. Тампонажный раствор с такой растекаемостью сохраняет подвижность лишь в течение 30 минут после затворения, затем он загустевает настолько, что прокачивание его становится практически невозможным. Таким образом, использование облагороженной пластовой девонской воды, доведенной пресной водой до плотности 1072-1102 кг/м3, позволит увеличить прочностные характеристики цементного камня, ускорить процесс отверждения цементного раствора и отказаться от закупок привозного хлористого кальция за счет использования местного сырья.
Как показал промысловый опыт, тампонажным составам на основе жидкого стекла присущ ряд физико-химических свойств, позволяющих решать большой круг вопросов при первичном креплении и ВИР на скважинах. К таким свойствам относится широкая область регулирования сроков отверждения жидкого стекла с модулем 2,9-5,2 с применением органических и неорганических отвердителей, хорошая фильтруемость в поры и каналы пласта, способность образовывать гомогенные смеси с глинистыми растворами, гипаном, полиакриламидом, растворимость получаемой посредством жидкого стекла тампонирующей массы в водных растворах щелочей.
Анализ литературных данных и обобщение результатов экспериментальных исследований показывают, что наиболее подходящим структурообразователем для жидкого стекла с повышенным модулем являются эфиры и амиды карбоновых кислот.
Результаты исследований показали обратно пропорциональную зависимость времени гелеобразования от количества этилацетата и величины силикатного модуля (при использовании формамида в качестве отвердителя зависимость сохраняется). С понижением температуры окружающей среды время гелеобразования тампонажных растворов с применением органических отвердителей сокращается, что обусловлено повышением их растворимости при пониженной температуре.
Водоизоляционные работы с применением тампонажного раствора на основе жидкого стекла с повышенным силикатным модулем и органических отвердителей проведены на 60 скважинах ОАО «Татнефть», из них:
44 –ликвидация заколонных перетоков (успешность 90%);
16 – ограничение водопритока (успешность 70%).
Общая успешность работ составила более 85%. По этой же технологии на 30 скважинах ПФ «ЭмбаМунайГаз» Республики Казахстан были проведены работы по ограничению водопритока без последующего цементирования. Текущая успешность по 22 освоенным скважинам составила 70%.
Областью применения технологии с использованием жидкого стекла с повышенным модулем является ликвидация нарушений эксплуатационной колонны в зонах с высокой и низкой проницаемостью, изоляция притока подошвенных, нижних и верхних вод в терригенных коллекторах. Технология может быть использована как в процессе первичного крепления, так и в процессе эксплуатации, независимо от вида и степени минерализации изолируемых вод.
Другой важной областью применения тампонажных составов на основе жидкого стекла является ликвидация осложнений при бурении и ремонте скважин в процессе эксплуатации. Технология проведения изоляционных работ в интервалах с большими поглощениями основана на использовании составов, включающих глинистый раствор, жидкое стекло с повышенным модулем и органический отвердитель. Разработанные глиносиликатные составы формируются в плотную твердую массу. Время ее образования зависит от количества этилацетата. Этилацетат предварительно добавляется в глинистый раствор, который потом через тройник перемешивается с жидким стеклом и подается в зону поглощения. С применением рекомендованного метода проведены ОПР на 12 скважинах с успешностью 90%, по сравнению 50% по базовой технологии (гельцементный раствор).
Водопроявления являются одним из видов осложнений, встречающихся в процессе бурения. Основным методом изоляции водопроявлений остается технология намыва наполнителей с последующими закрепляющими цементными заливками. Причем, нередки случаи, когда после безуспешных попыток ликвидировать осложнение с многотоннажным расходом материалов, возникает необходимость бурения второго ствола с целью обхода осложненного интервала.
Перспективным направлением дальнейшего совершенствования физико-химических методов ликвидации зон водопроявлений представляется разработка технологий на основе уретановых форполимеров, учитывая такие их положительные свойства, как небольшой расход и низкая плотность.
Исследования ряда авторов проводились в основном на основе импортного форполимера «HyceI-OH». Нами были проведены исследования на основе отечественного форполимера «Спантан-1К» выпускаемого ЗАО «Блокформ» г. Владимир.
Предлагаемый состав отверждается в водонасыщенных интервалах пласта независимо от минерализации пластовых вод при их содержании в количестве 1-2 % порового объема и более. При этом для полимеризации состава необязательно перемешивание его с водой, а достаточно наличие контактной зоны. При смешивании с безводной нефтью состав не отверждается. Скорость отверждения состава зависит от температуры среды и увеличивается с повышением температуры. Регулирование сроков отверждения, вязкости состава возможно путем изменения соотношения основных компонентов состава – полимер и растворитель. Оптимальными являются соотношения компонентов от 1:1 до 1:2, при этом вязкость состава снижается до 20 мПа·с. С увеличением количества растворителя скорость отверждения замедляется.
Исходя из вышеизложенного область применения разработанных составов рекомендуемых к использованию при бурении, креплении и водоизоляционных работах представлена на рисунке 12.
Глава 6 посвящена разработке технологий по производству тампонирующих материалов и технологических жидкостей для ВИР на базе местного сырья, полуфабрикатов и промышленных отходов.
Как известно, многие тампонирующие материалы, химические реагенты, технологические жидкости, используемые при водоизоляционных работах, обладают ограниченным сроком хранения. Другие реагенты имеют повышенную температуру замерзания и при циклическом замораживании и отмораживании в зимний период теряют свои технологические свойства. Поэтому для их хранения необходимы теплые складские помещения.
Ряд реагентов, используемых при эксплуатации и ремонте скважин, представляют собой жидкие растворы, которые содержат невысокую концентрацию основного вещества, и предприятие несет неоправданные затраты на перевозку балластного растворителя. Например, хлористый кальций, жидкое стекло и гидролизованный полиакрилонитрил поставляются в виде водных растворов. Более того, разгрузка жидких
реагентов требует строительства специализированных эстакад при железнодорожных станциях, задействования большого парка автомобилей, оборудованных автоцистернами. Все это приводит к значительным транспортным затратам.
Необходимо также отметить, что по мере выработки нефтяных месторождений высвобождаются значительные энергетические мощности, промышленная инфраструктура и рабочая сила, требующие их рачительного использования. Вследствие этого будет необходима в будущем диверсификация промышленной структуры региона.
Большими потенциальными возможностями в качестве гидроминерального сырья для производства химических реагентов, необходимых для разработки и эксплуатации нефтяных месторождений, в частности, для модификации цементных растворов и глушения скважин, приготовления тампонажных растворов для борьбы с пескопроявлением, обладает девонская пластовая вода, запасы которой практически неисчерпаемы.
Использование сточных и пластовых вод, добываемых попутно с нефтью, в качестве гидроминерального сырья сопряжено с определенными сложностями ввиду необходимости очистки от органических примесей. С другой стороны, добыча только пластовой воды может привести к падению добычи нефти и преждевременному ее обводнению. Нами предложено использование методов совместной добычи нефти и пластовой воды. Целью этих методов является уменьшение обводненности нефти и загрязненности нефтью добываемой пластовой воды, используемой в качестве гидроминерального сырья, а также сокращение потерь пластовой воды при эксплуатации нефтяной залежи, подстилаемой пластовой водой.
Суть предложенного метода разработки заключается в понижении уровня водо-нефтяного контакта за счет отбора пластовой воды из центральной или периферийной части разрабатываемого месторождения в зависимости от толщины водоносных пластов
Физико-химические процессы, положенные в основу переработки пластовой воды, заключаются в следующем. На первом этапе происходит очистка исходной пластовой воды от механических примесей, остатков нефти и солей железа. Далее пластовая вода поступает на выпарную установку, в которой происходит выпарка пластовой воды с концентрированием солей. При достижении определенной величины концентрации хлористого кальция в рассоле происходит осаждение хлористого натрия, пригодного для пищевых целей, который является попутным продуктом при производстве технологических жидкостей, необходимых для ВИР. По всем показателям образцы соли соответствуют нормам и ГОСТу 13830-91 и по содержанию тяжелых металлов удовлетворяет СанПиН 42-123-4089-91, что подтверждено протоколом испытаний № 13 от 06.08.95 г. специализированной лабораторией стандартизации Всероссийского научно-исследовательского института Галлургии (г. Санкт-Петербург), имеющего лицензию Госстандарта России. Нами разработаны режимы выпарки, позволяющие получать различные сорта поваренной соли и тяжелые рассолы различного химического состава.
Хлористый натрий отделяется от остального рассола на центрифугах, промывается от солей кальция исходной пластовой водой, вновь поступает на центрифуги для отделения от жидкости и высушивается. Готовая соль далее идет на упаковку. Полученный концентрированный рассол, обогащенный бромом и йодом, поступает на установку получения брома.
Технологические жидкости для модификации цементного раствора, глушения скважин и получения тампонажных составов для борьбы с пескопроявлением получаются разбавлением полученного рассола до необходимой концентрации.
Полимерный концентрат - реагент, получаемый гидролизом отходов нитронного волокна в щелочной среде водного конденсата с одновременным омылением едким натром. Полимерный концентрат широко используют в качестве реагента изоляции. Он может проявлять свои изолирующие свойства без специального отвердителя или осадителя.
Технология производства полимерного концентрата, спроектированная и изготовленная при Альметьевском УПНП и КРС, очень проста и в общем виде включает следующие технологические этапы: прием и подготовка исходных сырьевых материалов; растворение (в щелочи) и распускание (волокна) исходных сырьевых материалов в воде; гидролиз нитронного волокна, корректирование состава полимерного концентрата путем добавления в нее измельченной натриевой силикат-глыбы с силикатным модулем 2,5-2,8 в процессе варки или после ее завершения, фильтрация (при необходимости) полимерного концентрата; хранение и отгрузка потребителю.
