Томск2013 г. Курс лекций Лекция 6 Тема 1 Тампонажные растворы 2 Лекция 6 Тема 1. 1 Общие понятия о тампонажных
 Скачать 1.84 Mb.
|
|
Бурение и освоение нефтяных и газовых скважин Автор: Епихин А.В. асс.каф. бурения скважин Томск-2013 г. Курс лекций Лекция №6 Тема №1 Тампонажные растворы 2 Лекция №6 Тема №1.1 Общие понятия о тампонажных растворах 3 Лекция №6 Общие сведения о буровых тампонажных растворах 4 Лекция №6 Тампонажный раствор (ТР) – это гетерогенная полидисперсная система, способная в течение некоторого времени переходить из вязко-пластичного состояния в твердое как на воздухе, так и в жидкости. Дисперсная фаза ТР представлена тампонажным цементом (ТЦ), который состоит из вяжущего вещества (ВВ) и добавок (Д) к нему. Добавки к ВВ могут быть химически активными (ХА) и инертными (И). Дисперсионная среда или жидкость затворения (ЖЗ) ТР чаще всего представлена водой, реже водными высоко концентрированными растворами солей и углеводородными жидкостями. ЖЗ может содержать в растворенном виде химические реагенты, предназначенные для регулирования свойств ТР и тампонажного камня (ТК). ТК – искусственное твердое тело, образующееся при затвердевании ТР. Вводимые в ЖЗ химические реагенты по функциональному назначению делятся на следующие 4 группы: ускорители схватывания и твердения (УС); замедлители схватывания и твердения (ЗС); понизители фильтрации (ПФ); пластификаторы или разжижители (Пл). Отношение массы дисперсионной среды к массе дисперсной фазы в единице объема ТР называется водоцементным отношением и обозначается В/Ц . Основными функциями, выполняемыми ТР при сооружении скважин, являются следующие: закрепление обсадных колонн и защита их от коррозионного воздействия пластовых флюидов; изоляция друг от друга и от дневной поверхности пластов, содержащих различные виды флюидов (вода, нефть, газ) или один вид флюида с разными свойствами; создание искусственных забоев и разделительных пробок или перемычек в стволе скважины с целью забуривания нового ствола, перехода на вышележащий объект, ликвидации проявлений, консервации скважины и др.; ликвидация поглощений бурового раствора; закрепление стенок скважин в потенциально неустойчивых породах. Функции тампонажных растворов 5 Лекция №6 Требования, предъявляемые к тампонажному камню быть высоко эластичным (трещиностойким) для предотвращения его разрушения при динамических нагрузках, в частности, при перфорации; быть коррозионно- и термостойким ; обладать хорошей сцепляемостью (адгезией) с металлом и горными породами, слагающими стенки скважины; не давать усадки при твердении; быть практически непроницаемым для жидкостей и газов; быть достаточно прочным и в то же время легко разбуриваться. 6 Лекция №6 легко прокачиваться цементировочными агрегатами в течение времени, необходимого для транспортирования его в заданный интервал скважины; обладать минимальной фильтрацией для сохранения высокой проницаемости приствольной зоны продуктивного пласта и предотвращения преждевременного загустевания при течении в затрубном пространстве; быть седиментационно устойчивым с тем, чтобы в состоянии покоя в нем не образовывались каналы, заполненные дисперсионной средой; быть химически инертным по отношению к металлу, горным породам, пластовым флюидам и буровому раствору; по окончании транспортирования в заданный интервал скважины максимально быстро превращаться в ТК ; легко смываться с технологического оборудования; быть нетоксичным . Требования, предъявляемые к тампонажным растворам Тема №1.2 Краткая характеристика вяжущих веществ 7 Лекция №6 Краткая характеристика основных вяжущих веществ 8 Лекция №6 В составе ТЦ в качестве ВВ, обеспечивающих затвердевание тампонажных растворов, применяются следующие: Минеральные ВВ: портландцемент; глиноземистый цемент; шлаковый цемент; известково-кремнеземистый цемент; гипс; магнезиальный цемент; смеси различных минеральных ВВ; Органические ВВ (синтетические смолы). Краткая характеристика основных вяжущих веществ 9 Лекция №6 Портландцемент Основной частью портландцемента являются клинкерные минералы , получаемые искусственным путем при обжиге (Т ≈ 1450 ºС) смеси известняка с глиной. При этом состав смеси подбирается таким образом, чтобы в ней содержалось строго определенное количество следующих оксидов: кальция СаО - 64 … 68 % (известь); кремния SiO2 - 19 … 23 % (кремнезем); алюминия Al2O3 - 4 … 8 % (глинозем); железа Fe2O3 - 3 … 6 %. Глиноземистый цемент Получают обжигом сырьевой смеси, состоящей из известняка и бокситов (руда, содержащая 28…52 % Al2O3). Химический состав смеси: CaO - 35 …45 %; SiO2 - 5 …15 %; Al2O3 - 30 …50 %; Fe2O3 - 5 …15 %. Достоинства: Глиноземистый цемент, особенно при низких температурах, твердеет значительно быстрее, чем портландцемент, а получаемый при этом тампонажный камень имеет в несколько раз большую прочность, существенно меньшую проницаемость и повышенную коррозионную устойчивость к агрессивным средам. Недостатки: Высокая прочность тампонажного камня сохраняется длительное время только при отсутствии поровой жидкости (в сухих условиях) и пониженных температурах (20…25 ºС). Глиноземистый цемент дефицитен, поэтому чаще всего применяется в смеси с портландцементом при соотношении - 1 : 5 или 1 : 4. Цемент на основе металлургических (доменных) шлаков Получают при охлаждении расплава, образованного примесными минералами руд, флюсов и золы топлива при выплавке чугуна. По химическому составу близок к портландцементу, отличаясь от него обычно меньшим содержанием оксида кальция (40…50 %) и отсутствием оксида железа. Достоинства: В отличие от портландцемента очень медленно твердеет в нормальных условиях, но при температуре порядка 100 ºС и выше процесс твердения идет интенсивно с образованием прочного ТК, очень стойкого к полиминеральной агрессии. Известково-кремнеземистый цемент Представляет собой смесь гидроксида кальция – Ca(OH)2 с кварцевым песком или другими материалами, содержащими оксид кремния (диатомитом, измельченным кварцем, пылевидной каменноугольной золой и т.п.): CaO : SiO2 = 0,8 …1,2 . Достоинства : быстрое схватывание. Недостатки: низкая водоудерживающая способность (большие значения показателя фильтрации). Гипс Получают путем термической обработки природного гипсового камня – сульфата кальция ( CaSO4 ·2H2O ). Гипс – быстросхватывающееся и быстротвердеющее ( ≈ 15 мин.) вяжущее вещество , но гипсовый камень не водостоек (размягчается в воде). Поэтому гипс обычно используют с добавками веществ, замедляющих схватывание и повышающих водостойкость. 10 Лекция №6 Краткая характеристика основных вяжущих веществ Магнезиальный цемент Получают обжигом магнезита (MgCO3) или доломита (MgCO3 ·CaCO3) . Очень медленно твердеет при затворении водой, поэтому его затворяют водным раствором MgCl2 и применяют для тампонирования тех участков ствола скважины, которые сложены солями магния ( карналлит, бишофит ). Тампонажный камень из всех других минеральных вяжущих веществ в контакте с солями магния разрушается. Органические вяжущие вещества (синтетические смолы) Чаще всего используют мочевиноформальдегидные (карбамидные), фенолоформальдегидные и эпоксидные смолы . В качестве отвердителя таких смол применяют щавелевую, фосфорную и соляную кислоты, а также хлорное железо, хлорный цинк, хлористый аммоний и др. 11 Лекция №6 Краткая характеристика основных вяжущих веществ Тема №1.3 Краткая характеристика добавок к вяжущим веществам 12 Лекция №6 Краткая характеристика добавок к вяжущим веществам 13 Лекция №6 Диатомиты – землистые, рыхлые или сцементированные кремнистые породы, более чем на 50 % состоящие из панцирей диатомей (диатомитовых водорослей) и содержащие до 70…80 % растворимого кремнезема. Трепелы – рыхлые или слабосцементированные очень легкие тонкопористые осадочные породы, аналогичные по физико-техническим свойствам диатомитам. Опоки – продукт изменения диатомитовых трепелов, содержащий до 92…98 % кремнезема в аморфном состоянии. Глиежи – глина, обожженная при подземных пожарах в угольных пластах. Туфы – породы, образовавшиеся из твердых продуктов вулканических извержений. Пемзы – легкие (не тонут в воде) очень пористые породы губчатого строения. Трассы – горные породы из группы трахитовых вулканических туфов, богатые аморфной кремнекислотой. Перлит – разновидность вулканических стекол. Раздробленный и подвергнутый термической обработке (1000…1200 ºС) сильно вспучивается, образуя легковесный материал с замкнутыми порами. Пуццолан - слегка сцементированные отложения вулканических материалов (пепла, пемзы и др.) Гильсонит – твердый углеводород (разновидность природного асфальта). Имеет зернистую структуру и низкую плотность – 1070 кг/м 3 . Общие сведения о буровых тампонажных растворах 14 Лекция №6 Тема №1.4 Тампонажные цементы 15 Лекция №6 ТЦ – это продукт, состоящий из смеси тонкоразмолотых ВВ и добавок, после затворения которого водой получают ТР, а затем ТК. Тампонажные цементы могут быть классифицированы по следующим основным признакам: температуре применения; плотности ТР; устойчивости ТК в воздействию агрессивных пластовых вод. По температуре применения (ºС) ТЦ делятся на 7 групп: для низких температур (ниже + 15); для нормальных температур (+ 15…+ 50); для умеренных температур (+ 50…+ 100); для повышенных температур (+ 100…+ 150); для высоких температур (+ 150…+ 250); для сверхвысоких температур (выше + 250); для циклически меняющихся температур. По плотности получаемого ТР (кг/м 3 ) ТЦ делятся на 5 групп: легкие ( 1400); облегченные (1400…1650); нормальные (1650…1950); утяжеленные (1950…2300); тяжелые ( 2300). По устойчивости ТК к воздействию агрессивных пластовых вод ТЦ делятся на 5 групп: устойчивые только к хлоркальциево - натриевым водам; устойчивые к сульфатным, а также к хлоркальциево -натриевым водам; устойчивые к кислым (углекислым, сероводородным) водам; устойчивые к магнезиальным водам; устойчивые к полиминеральным водам. Тампонажные цементы 16 Лекция №6 ПТЦ – портландцемент тампонажный (ГОСТ 1581-96) Считается, что портландцемент был изобретен в Англии каменщиком Аспидом, который получил патент в 1824 году. Однако в России портландцемент был получен еще в 1817 году начальником военно-рабочей команды Е.Г. Челиевым, который в 1825 году издал книгу о вяжущем веществе, аналогичном по составу применяемому ныне портландцементу. По вещественному составу ПЦТ подразделяют на следующие типы: I - ПЦТ бездобавочный I-G - ПЦТ бездобавочный с нормированными требованиями при В/Ц = 0,44 I-H - ПЦТ бездобавочный с нормированными требованиями при В/Ц = 0,38 II - ПЦТ с минеральными добавками III - ПЦТ со специальными добавками, регулирующими плотность ТР По плотности тампонажного раствора ПЦТ типа III подразделяют: на облегченный (Об) утяжеленный (Ут) По температуре применения (ºС) ПЦТ I, II и III типов подразделяют на предназначенные: для низких и нормальных температур (15…50) для умеренных температур (51…100) для повышенных температур (101…150) По сульфатостойкости ПЦТ I, II и III типов подразделяют: на обычный (требования к сульфатостойкости не предъявляют) на сульфатостойкий (СС) По сульфатостойкости ПЦТ типа I-G и I-H подразделяют на цемент: высокой сульфатостойкости (СС-1) умеренной сульфатостойкости (СС-2) Тампонажные цементы 17 Лекция №6 ПТЦ – портландцемент тампонажный (ГОСТ 1581-96) Условное обозначение портландцемента тампонажного должно включать в себя: буквенное обозначение цемента: ПЦТ обозначение типа цемента ( I, II, III, I-G, I-H ) обозначение сульфатостойкости цемента ( СС, СС-1, СС-2 ) для цемента типа III - обозначение средней плотности ТР ( Об 4, Об 5, Об 6, Ут 0, Ут 1, Ут 2, Ут 3 ) обозначение максимальной температуры применения цемента ( 50, 100, 150 ) обозначение гидрофобизации ( ГФ ) или пластификации ( ПЛ ) цемента обозначение стандарта ( ГОСТ 1581-96 ) Примеры условных обозначений ПЦТ 1. Портландцемент тампонажный с минеральными добавками, сульфатостойкий, для низких и нормальных температур ПЦТ II-СС-50 ГОСТ 1581-96 2. Портландцемент тампонажный со специальными добавками, облегченный, с плотностью ТР, равной 1500 кг/м 3 , для умеренных температур, гидрофобизованный ПЦТ III-Об 5-100-ГФ ГОСТ 1581-96 Тампонажные цементы 18 Лекция №6 Вяжущее вещество Облегчающая добавка Т = 15…100 ºС Т = 100…150 ºС ПЦТ I-50, ПЦТ I-100 ШПЦС-120, ЦТПН кероген марки Т - гидрофобный тонкоразмолотый органоминеральный порошок плотностью 1250 кг/м 3 , получаемый из горючего сланца (снижает плотность и обеспечивает коррозионную стойкость). Показатели Значения показателей ЦТОК - 4 ЦТОК - 5 ЦТОК - 6 плотность ТР, кг/м 3 1400 50 1500 50 1600 50 ВВ : кероген 60 : 40 70 : 30 80 : 20 В/Ц 0,7 0,65 0,6 Тампонажные цементы 19 Лекция №6 Выпускают 3 марки ЦТОК : ОЦГ – облегченный цемент для горячих (50…100 ºС) скважин (ТУ 39-01-08-469-79) Состав: портландцемент (ПЦТ типа I) – до 40 % трепел – до 45 % гранулированный доменный шлак – до 20 % ЦТОК – цемент тампонажный облегченный повышенной коррозионной стойкости (ТУ 39-0147009-010-89) Состав: Тампонажные цементы 20 Лекция №6 Вяжущее вещество Облегчающая добавка Стабилизирующая добавка (при необходимости) Т = 15…100 ºС Т = 100…250 ºС ПЦТ I-50, ПЦТ I-100 ЦТПН фильтроперлит или тампонажный перлит – высокоэффективная облегчающая добавка с водопотребностью до 6…8 кг/кг бентонит, палыгорскит ЦТО – цемент тампонажный облегченный (ТУ 39-0147009-018-89) Состав: Марка В/Ц , кг/м 3 Режим твердения ТК изг. через 1 сутки, МПа Т, ºС p , МПа ЦТО-4-100 1,15 1400 50 75 20 1,1 ЦТО-5-100 0,9 1500 50 1,2 ЦТО-6-100 0,7 1600 50 1,4 ЦТО-4-150 1,15 1400 50 120 40 2,2 ЦТО-5-150 0,9 1500 50 2,9 ЦТО-4-250 1,20 1400 50 200 60 3,2 ЦТО-5-250 0,95 1500 50 3,8 Выпускают 7 марок ЦТО : Тампонажные цементы 21 Лекция №6 МТО – материал тампонажный облегченный (ТУ 39-08-217-85) Состав: ПЦАТ (портландцемент алинитовый тампонажный); облегчающая добавка (вспученный перлитовый песок марки М 75-100). ЦТН – цемент тампонажный для низкотемпературных (- 2…+ 30 ºС) скважин (ТУ 113-08-565-85) Состав: высокопрочный гипс ( - полугидрат сульфата кальция) - 70…80 %; портландцемент - 20 …30 %; регулятор твердения (белковосодержащие вещества микробиологического синтеза, обеспечивающие необходимую подвижность ТР при сохранении высокой скорости набора прочности ТК в условиях низких температур) - 0,2…0,5 %. ПЦАТ – портландцемент алинитовый тампонажный (ТУ 21 УзССР-146-89) Получают по НТС-технологии (технологии низкотемпературного синтеза). ПЦАТ в отличие от ПЦТ в качестве основного клинкерного минерала содержит не алит, а алинит, который обеспечивает быстрое схватывание, высокую раннюю прочность ТК и его низкую проницаемость. Рекомендуемая температура применения – 15 …50 ºС. ЦТПН – цемент тампонажный для паронагнетательных скважин (для циклически меняющихся температур). Выпускается по ТУ 39-1057-85. Состав: гранулированный доменный шлак – до 30 %; кварцевый песок – до 30 %; портландцемент – до 60 %; Предназначен для тампонирования скважин с забойными температурами от 15 до 50 ºC на нефтяных месторождениях, разрабатываемых с применением термических методов повышения нефтеотдачи (паронагнетание, создание внутрипластового движущегося очага горения и др.) с температурой рабочего агента до 300 ºC. Цемент тампонажный сероводородостойкий (до 25 % H 2 S в продукции скважины). Выпускается по ТУ 21-20-64-85. Состав: портландцементный клинкер нормированного состава – не менее 8,6 %; никелевый шлак – до 86,3 %; известняк – до 5,1%; Рекомендуемая температура применения 100…150 ºС. ЦТУК – цемент тампонажный утяжеленный коррозионностойкий (к полиминеральной, углекислой и сероводородной агрессии). Выпускается по ТУ 39-995-85. Состав: гранулированный доменный шлак – до 65 %; кварцевый песок – до 10 %; парафин (гидрофобизующая добавка) – до 5 %; барит (утяжеляющая добавка) – до 55 % Рекомендуемая температура применения – 100…150 ºС. Гарантийный срок хранения – до 6 мес. Тампонажные цементы 22 Лекция №6 ШПЦС – шлакопесчаный цемент совместного помола (ОСТ 39-017-80) Состав: ШПЦС – 120 (температура применения 120 40 ºС) гранулированный доменный шлак – до 70 %; кварцевый песок – до 50 %; портландцемент – до 20 %. ШПЦС – 200 (температура применения 200 40 ºС) гранулированный доменный шлак – до 70 %; кварцевый песок – до 50 %; Гарантийный срок хранения ШЦПС - 120, 200 - 4 мес. УЦГ – утяжеленный тампонажный цемент (ТУ 39-01-08-535-80) Состав: портландцемент – не менее 20 %; железная руда – до 75 %; гранулированный доменный шлак (не обязательный компонент) - до 25 % Рекомендуемая температура применения – 15…100 ºC. Гарантийный срок хранения – 3 мес. УШЦ – утяжеленный шлаковый цемент (ОСТ 39-014-80) Состав: УШЦ 1-120, УШЦ 2-120 гранулированный доменный шлак – не менее 25 % железная руда – до 75 % портландцемент – до 20 % УШЦ 1-200, УШЦ 2-200 гранулированный доменный шлак – не менее 25 % железная руда – до 75 % Гарантийный срок хранения – 4 мес. Тампонажные цементы 23 Лекция №6 |