авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |

Обоснование составов полимерцементных смесей и технологии цементирования обсадных колонн в интервалах проведения перфорационных работ

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Усманов Руслан Айратович

Обоснование составов полимерцементных смесей и технологии цементирования обсадных колонн в интервалах проведения перфорационных работ

Специальность 25.00.15 Технология бурения и освоения

скважин

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2006

Работа выполнена на кафедре технологии и техники бурения скважин Санкт-Петербургского государственного горного института им. Г.В. Плеханова (технического университета)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Николаев Николай Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Агзамов Фарит Акрамович

кандидат технических наук, доцент

Толкачев Георгий Михайлович

Ведущее предприятие:

ТУБР ООО «Буркан»

Защита диссертации состоится 24 октября 2006 года в 16ч. на заседании Диссертационного совета Д 212.224.02 при Санкт-Петербургском государственном горном институте (техническом университете) им. Г.В. Плеханова по адресу: 199106, г. Санкт-Петербург, В.О., 21 линия, д.2, ауд. 1160

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан “22” сентября 2006 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета,

д.т.н., профессор Л.К. Горшков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы: Цементирование нефтяных и газовых скважин - наиболее ответственный этап их строительства. Особая важность и значимость операций по цементированию обусловлена тем, что неудачи при их выполнении могут свести на нет результаты работ на предшествующих этапах строительства скважины.

Низкое качество межпластовой изоляции скважин сокращает сроки их службы, приводит к большим затратам на ремонтно-восстановительные работы. При низком качестве крепи в затрубном пространстве возникают межпластовые перетоки флюидов, вследствие чего ухудшается качество добываемого углеводородного сырья.

Наиболее опасным для цементного кольца крепи является проведение пулевой и кумулятивной перфорации, при которых деформация цементного камня сопровождается образованием зазора между обсадной колонной и цементным кольцом в заколонном пространстве, а также его растрескиванием не только в зоне перфорации, но и над ней.

В связи с этим главными задачами исследования являются исследование и разработка составов полимерцементных смесей и технологии цементирования обсадных колонн, обеспечивающих снижение негативного влияния перфорационных работ при вторичном вскрытии продуктивных пластов.

Значительный вклад в развитие научных представлений о процессах твердения тампонажных растворов внесли отечественные и зарубежные исследователи Ашрафьян М.О., Булатов А.И., Бутт Ю.М., Гайворонский А. А., Данюшевский В.С., Дон Н.С., Каримов Н.Х., Кравченко И.В., Круглицкий Н.Н., Крылов В.И., Кузнецова Т.В., Любимова Т.Ю., Мчедлов-Петросян О.М., Мирзаджанзаде А.X., Полак А.Ф., Ребиндер П.А., Титков Н.И., Шищенко Р.И., P.W. Brown, J.D. Birchell и др.

Техника и технология повышения качества цементирования скважин приобрели существенное развитие благодаря разработкам таких ученых как: Ф.А. Агзамов, А.А. Клюсов, А.Т. Кошелев, Ю.С. Кузнецов, М.Р. Мавлютов, Н.И. Николаев, Д.Ф. Новохатский, В.П. Овчинников, В.Н. Поляков, Л.И. Рябова, С.А. Рябоконь, Г.М. Толкачев, З.З. Шарафутдинов и др.

Актуальность темы подтверждается ее соответствием плану госбюджетных НИР кафедры технологии и техники бурения скважин и хоздоговору № 15/2003.

Целью работы является повышение качества изоляции затрубного пространства скважины полимерцементными смесями в интервалах перфорации ее крепи.

Идея работы заключается в направленном регулировании времени начала проведения перфорационных работ за счет введения композиции полимерных смесей в тампонажную суспензию, с последующей вибробработкой в зоне продуктивного пласта.

Задачи исследования:

  • анализ материалов и реагентов, используемых при тампонировании скважин, а также современного состояния технологии их цементирования с оценкой факторов, влияющих на качество межпластовой изоляции;
  • исследование реологических и физико-механических свойств и разработка составов полимерцементных тампонажных смесей на основе минеральных вяжущих веществ с добавками поверхностно-активных веществ (ПАВ) различной молекулярной массы;
  • оценка влияния вибрации на физико-механические свойства полимерцементного камня;
  • исследования вибрационного воздействия на процессы фильтрации жидкости затворения полимерцементного тампонажного раствора;
  • электронно-микроскопические исследования кристаллизационной структуры и поровой текстуры полимерцементного тампонажного камня.

Методика исследований носила экспериментально-теоретический характер и включала в себя комплекс экспериментальных работ по исследованию свойств полимерцементного тампонажного камня, а также оценке влияния вибрации на реологические и физико-механические характеристики полимерцементной смеси. Планирование экспериментов и обработка их результатов проводились с использованием методов математической статистики и современных статистических компьютерных программ.

Научная новизна работы заключается в новом методическом подходе к решению задач вторичного вскрытия продуктивных пластов, базирующемся на управлении процессом формирования крепи в затрубном пространстве посредством вибрационного воздействия на твердеющую тампонажную суспензию; установлении факторов, контролирующих основные физико-механические свойства тампонажных материалов, модифицированных азотосодержащими неионогенными и ионогенными ПАВ; обосновании времени проведения перфорационных работ на стадии перехода коагуляционной структуры полимерцементной смеси в кристаллизационную.

Защищаемые научные положения:

  1. Целостность тампонажного камня, а также его сцепление с обсадной колонной могут быть обеспечены при проведении перфорационных работ при вторичном вскрытии продуктивных пластов в период перехода коагуляционной структуры тампонажной суспензии в кристаллизационную структуру камня.
  2. Управление регологическими и фильтрационными характеристиками тампонажных смесей на основе минеральных вяжущих веществ введением в их состав композиций низкомолекулярных и высокомолекулярных соединений (до 0,2%) и виброобработкой при частоте 50Гц и амплитуде до 3мм, способствует повышению качества цементирования обсадных колонн за счет увеличения прочности и адгезионных показателей цементного камня и уменьшения его пористости.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций определяется современным уровнем аналитических и достаточным объемом экспериментальных исследований, высокой степенью сходимости их результатов и воспроизводимостью полученных данных.

Практическая значимость работы заключается в разработке составов полимерцементных смесей для цементирования скважин в зоне продуктивных пластов и технологии их применения при бурении нефтяных и газовых скважин. Разработанные составы опробованы при строительстве скважин на производственных объектах ООО «Красноярское буровое предприятие».

Апробация работы. Основные положения, результаты теоретических и экспериментальных исследований, выводы и рекомендации докладывались на ежегодных научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых Санкт-Петербургского государственного горного института (Санкт-Петербург, 2004, 2005, 2006г.г.); XIV Международной конференции по науке и технике (Польша, Краковская горно-металлургическая академия, 2004 год); на V международной научно-технической конференции, «Науковый вистник» (Национальный горный университет, Украина, 2004г.); V юбилейной межрегиональной молодежной научной конференции «Севергеоэкотех-2004» (Воркута, Воркутинский горный институт, 2004г.); научном симпозиуме студентов, аспирантов и молодых ученых «ПРОБЛЕМЫ ГЕОЛОГИИ И ОСВОЕНИЯ НЕДР» (Томск, Томский политехнический институт, 2004г.); VI межрегиональной молодежной научной конференции «Севергеоэкотех-2005» (Воркута, Воркутинский горный институт, 2005г.); IV межрегиональная научно-практическая конференция «Освоение минеральных ресурсов севера» (Воркута, Воркутинский горный институт, 2006г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе тезисы двух докладов.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка, включающего 110 наименований. Материал диссертации изложен на 147 страницах, включает 18 таблиц, 57 рисунков и 1приложение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится общая характеристика работы, обосновывается ее актуальность, определяются цель, задачи, идея работы, излагаются защищаемые научные положения, научная новизна и практическая значимость.

В первой главе проведен анализ составов тампонажных растворов, применяемых в настоящее время при цементировании нефтяных скважин и реагентов для регулирования их свойств, а также рассмотрены способы цементирования скважин в различных геологических условиях. Рассмотрены причины ухудшения качества межпластовой изоляции в заколонном пространстве скважины в интервалах проведения перфорационных работ.

Классифицированы стадии твердения цементной суспензии, при которых возможно ухудшение качества межпластовой изоляции в скважине.

Проведен обзор методов воздействия на цементную суспензию для повышения качества цементирования скважин, в том числе механической виброобработки. Исследованию виброактивации цеметов и бетонов посвящены работы Н.Б. Урьева, Н.В. Михайлова, Н.Г. Русановой, Б.А. Лишанского и др., а вибровоздействию на тампонажные системы – И.Г. Гранковского, Н.Н. Круглицкого, Ю.С. Кузнецова, Ф.А. Агзамова, Н.А. Луценко, А.В. Кантакузина и др.. Сделан анализ методов вторичного вскрытия продуктивных пластов, дана оценка их эффективности, поставлены цель и задачи исследований.

Во второй главе изложена методика аналитических и экспериментальных исследований. В ней кратко представлены основные параметры тампонажных растворов, которые необходимо учитывать при цементировании скважин. Описаны приборы, служащие для определения реологических и физико-механических свойств тампонажных смесей, а также методика планирования экспериментов и статистической обработки результатов.

В третьей главе изложены результаты экспериментальных исследований физико-механических свойств полимерцементных тампонажных суспензий и цементного камня, а также их изменения при вибровоздействии. Доказано, что целостность тампонажного камня, а также его сцепление с обсадной колонной и горной породой может быть обеспечена проведением перфорационных работ в период перехода коагуляционной структуры тампонажной суспензии в кристаллизационную. Этот момент при стандартном В/Ц = 0,5 для нормального цементного раствора наступает достаточно быстро (7-15ч.) и его зачастую не хватает для того, чтобы провести перфорацию. Для получения необходимых свойств цементной смеси, была выбрана (по экономическим показателям, токсичности, стабильности свойств и др.), в качестве модифицирующей добавки, композиция катионактивного ПАВ- катамин (алкилбензилметиламмоний) хлорида и неиногенного полимера- поливинилпироллидона. Результаты исследования свойств тампонажной суспензии, в составе которой содержится реагент катамин, показали, что помимо увеличения растекаемости цементной смеси (> 25см по конусу АзНИИ), а также увеличения сроков ее схватывания (конец схватывания системы 23ч.), время набора коагуляционной структуры увеличивается по сравнению с исходным тапонажным раствором на 5 часов, а пластичные свойства сохраняются более 19ч (рис.1).

Ввод в систему композиции реагентов катамин и поливинилпироллидон увеличивает растекаемость тампонажного раствора до 23см, а время при котором смесь превращается в камень увеличивается до 26 часов. Тампонажная суспензия по сравнению с исходной цементной смесью сохраняет свои пластические свойства в течение 24 часов, однако виброобработка полимерцементной смеси уменьшает время набора коагуляционной структуры.

Для оценки возможного времени начала перфорации были проведены экспериментальные исследования интенсивности набора пластической прочности исходной цементной суспензии и подвергнутой вибровоздействию (рис.1).

пл

кПа

20

8 10

9

15 7

6

5

10 4 1 3

2

5

Т (мин)

0 100 150 300 450 600

Рис.1 Зависимость времени набора пластической прочности полимерцементного материала при вибровоздействии от процентного содержания полимеров в смеси (В/Ц=0,5)

1- ПТЦ-100 без вибрации; 2- ПТЦ-100 с вибрацией; 3- ПТЦ-100 + катамин 0,1% без вибрации; 4- ПТЦ-100 + катамин 0,1% с вибрацией; 5- ПТЦ-100 + катамин 0,2% без вибрации; 6- ПТЦ-100 + катамин 0,2% с вибрацией; 7- ПТЦ-100 + катамин 0,3% без вибрации; 8- ПТЦ-100 + катамин 0,3% с вибрацией; 9- ПТЦ-100 + катамин 0,2% + поливинилпироллидон 0,2% без вибрации; 10- ПТЦ-100 + катамин 0,2% + поливинилпироллидон 0,2% с вибрацией.

Полученные результаты показывают, что перфорационные отверстия сохраняют свои размеры, т.е. не затекают при значениях плас 10 кПа. Как видно из рис.1 указанные значения плас достигаются при вибровоздействии на тампонажную смесь в среднем на 2 – 2,5 часа раньше, чем у исходной смеси, а интенсивность дальнейшего набора прочности резко возрастает. При введении в состав цементного раствора полимерных добавок указанные процессы заметно растягиваются во времени.

Анализ баланса времени на проведение вторичного вскрытия продуктивных пластов показывает, что, например, при средней глубине скважин в Республике Татарстан 1700м, затраты на весь комплекс работ, с учетом виброобработки, составляют около 7,5 часов, что соответствует времени набора необходимой пластической прочности для полимерцементной смеси, в состав которой входит композиция полимеров (кривая 10).

При традиционной технологии вторичного вскрытия продуктивных пластов общие затраты времени (с учетом ОЗЦ) составляют около 24 часов. При этом пластические свойства тампонажной смеси полностью теряются и она приобретает свойства хрупкого тела (камня). Проведение же цементирования полимерцементными смесями с последующей виброобработкой в зоне продуктивного пласта, позволяет сократить время на вторичное вскрытие до 7,5часов. Именно в это время перфорационные отверстия тампонажной смеси сохраняют свои размеры и не возникает хрупкого разрушения (рис. 2).

а) б)

в)

Так же исследования показали, что если перфорация проведена во временной зоне набора пластической прочности с 7,5ч. до 24 часов, т.е. во время перехода тампонажной смеси от коагуляционной структуры в кристаллизационную, контакт цементного камня с металлом сохраняется. При условии проведения перфорации в более поздний период, происходит отслаивание цементного камня от металла.

Прочностные характеристики цементного камня, являющиеся важными показателями качества цементирования обсадных колонн, существенным образом меняются при введении в тампонажную смесь реагентов катамин и поливинилпироллидон, а также при воздействии на нее вибрации с частотой виброимпульсов 50Гц, при амплитуде их колебаний 2мм в течение 5 минут (рис.3).

сж

МПа

12

8 10

10

6

8 4

1

6

9

4 7

2 3

2

0 10 20 28 Т(сут)

Рис.3. Зависимость прочности цементного камня при сжатии

1- ПТЦ-100 с вибрацией;2- ПТЦ-100 без вибрации;3- ПТЦ-100 + катамин 0,1% без вибрации;4- ПТЦ-100 + катамин 0,1% с вибрацией;5- ПТЦ-100 + катамин 0,2% без вибрации;6- ПТЦ-100 + катамин 0,2% с вибрацией;7- ПТЦ-100 + катамин 0,3% без вибрации;8- ПТЦ-100 + катамин 0,3% с вибрацией;9- ПТЦ-100 + катамин 0,2% + поливинилпироллидон 0,2% без вибрации; 10- ПТЦ-100 + катамин 0,2% + поливинилпироллидон 0,2% с вибрацией.

Как видно из рис.3 прочность полимерцементного камня при сжатии, обработанного вибрацией, увеличивается в 1,8 раза по сравнению с базовыми образцами.

Увеличение прочности тампонажного камня (рис. 4), содержащего 0,3% катамина, при изгибе составляет 128% по сравнению с базовым. При введении в смесь композиции полимеров (катамин 0,2% +поливинилпироллидон 0,2%) происходит увеличение прочности на 165%.

 Зависимость прочности цементного камня при изгибе 1- ПТЦ-100 без-3

Рис.4. Зависимость прочности цементного камня при изгибе

1- ПТЦ-100 без вибрации; 2- ПТЦ-100 + катамин 0,1% с вибрацией;3- ПТЦ-100 + катамин 0,1% без вибрации;4- ПТЦ-100 + катамин 0,1% с вибрацией; 5- ПТЦ-100 + катамин 0,2% без вибрации; 6- ПТЦ-100 + катамин 0,2% с вибрацией;7- ПТЦ-100 + катамин 0,3% без вибрации;8- ПТЦ-100 + катамин 0,3% с вибрацией;9- ПТЦ-100 + катамин 0,2% + поливинилпироллидон 0,2% без вибрации;10- ПТЦ-100 + катамин 0,2% + поливинилпироллидон 0,2% с вибрацией.

Максимальная интенсивность набора прочности сцепления полимерцементного камня с металлом приходится на 5 суток твердения, после чего адгезия увеличивается незначительно и 8 суткам ее прирост у образцов, подвергнутых виброобработке, в составе которых содержится композиция реагентов поливинилпироллидона и катамина, возрастает по сравнению с базовым цементом в 3,2 раза (рис.5).

 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Зависимость прочности сцепления цементного-4

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

Рис. 5. Зависимость прочности сцепления цементного камня с металлом

1- ПТЦ-100 без вибрации;2- ПТЦ-100 с вибрацией;3- ПТЦ-100 + катамин 0,1% без вибрации;4- ПТЦ-100 + катамин 0,1% с вибрацией;5- ПТЦ-100 + катамин 0,2% без вибрации;6- ПТЦ-100 + катамин 0,2% с вибрацией;7- ПТЦ-100 + катамин 0,3% без вибрации;8- ПТЦ-100 + катамин 0,3% с вибрацией; 9- ПТЦ-100 + катамин 0,2% и поливинилпироллидон 0,2% без вибрации;10- ПТЦ-100 + катамин 0,2% и поливинилпироллидон 0,2% с вибрацией.

Существенный рост прочностных показателей полимерцементного камня при виброобработке (сжатие, изгиб, адгезия) объясняется уменьшением его пористости, адсорбирующим и химическим диспергированием за счет дополнительного «истирания» частиц твердеющей тампонажной суспензии, а также в изменении форм кристаллогидратов в виде мелких игольчатых разностей.



Pages:   || 2 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.