Лекция № 15. Выбор типа БР, его состава и свойств

БР выполняют множество функций и оказывают значительное влияние на процесс бурения нефтяных и газовых сква­жин. Для достижения наилучших технико-эконо­мических показателей бурения важен пра­вильный выбор типа бурового раствора, т. е. его компонентного состава и целевого назна­чения.

Выбор типа БР не имеет формализованных пра­вил и поэтому проводится на основании прак­тики бурения и опыта инженеров по БР. Такой подход не учитывает мно­жество альтернатив, из которых необходимо выбрать одно решение, руководствуясь стои­мостным и другими критериями.

Мы приводим принципы выбора типов и последовательности применения БР, базирующиеся на результатах мно­голетних исследований ВНИИКРнефти в этой области («Методическое руководство по выбору типа бурового раствора» РД 39-2-772—82).

Основа выбора допустимых типов БР — соответствие составов БР разбуриваемым породам на всем интервале бурения до спуска обсадной колонны. Решение этой задачи требует прежде всего разработки классификаций БР и горных пород.

Систематизация данных об используемых в отрасли БР позволила раз­бить их на девять основных типов, которые подразделяются на виды, а виды — на ре­цептуры.

Встречающиеся при бурении скважин гор­ные породы, в зависимости от их подвержен­ности воздействию БР, разде­лены на пять типов: глинистые, хемогенные, гранулярные породы-коллекторы, твердые (не склонные к обвалообразованию) и многолетнемерзлые породы. Внутри каждой группы существует своя классификация пород, со­ставляющих данную группу.

Дальнейшая задача выбора типов буровых растворов заключается в определении по неко­торым критериям тех растворов, которые при­менимы при разбуривании той или иной груп­пы пород. Рассмотрим, как реализуется ука­занное положение применительно к каждой группе пород.

Выбор типа бурового раствора для разбуривания глинистых пород, для которых ха­рактерны частые нарушения устойчивости сте­нок скважин, — один из наиболее сложных. Принято глинистые поро­ды классифицировать по плотности и скоррелированными с ней коэффициенту пористо­сти, минерализации поровой воды и обменной емкости. Такое разделение позволяет в зави­симости от глубины залегания учесть степень разуплотненности пород и выбрать растворы, имеющие ту или иную ингибирующую спо­собность. При выборе типа раствора также учитывается преобладающий в обменном комп­лексе породы основной катион (Na+ или Са²+).

При выборе типа бурового раствора для разбуривания хемогенных пород, как и в слу­чае с глинистыми породами, основной прин­цип заключается в совместимости пород и ра­створов, однако главными критериями здесь являются растворимость хемогенных пород и глубина залегания. Выбираются такие ра­створы, которые предупреждают растворение соответствующих хемогенных пород.

При выборе типа бурового раствора для разбуривания гранулярных пород-коллекторов для вскрытия выбирают раствор исходя из необходимости сведения к минимуму отрица­тельных последствий от его воздействия на фильтрационные свойства пород-коллекторов. Для этих целей пользуются классификацией нефтенасыщенных пород-коллекторов, системати­зированных по степени катагенетического уплотнения (стадии химико-минералогического преобразования осадочных пород), проницаемости, активности компонентов пластовой жид­кости, и буровые растворы, рекомендуемые для их вскрытия.

Таким образом, процедура выбора типа БР может быть разбита на следующие операции: получение от геологической службы информации о разрезе скважины; идентификацию пород разреза в соответствии с классификацией; уста­новление типов буровых растворов, которые могут быть использованы при разбуривании пород данного класса; определение оптимальной последовательности применения БР.

Процедура выбора оптимальной последовательности применения БР проводится с учетом нормирования расхода материалов. При этом разрез скважины разбивают на интервалы, в каждом из которых характеристики, определяющие выбор типа БР, принимают постоянное значение. Затем для каждого интервала выбирают множество допустимых растворов, причем на каждом интервале ими могут быть только растворы, которые применимы на всех вышележащих интервалах в пределах необсаженной части скважины.

Рассчитывают стоимость 1 м³ каждого раствора, допустимого на данном интервале с учетом добавления необходимого количества утяжелителя. Затем определяют объемы растворов, необходимые для бурения каждого интервала с учетом затрат материалов на поддержание свойств раствора.

Общая потребность в растворе складывается из полезного расхода, расхода на очистных устройствах, на фильтрацию и коркообразование и расхода, связанного с удалением вместе с раствором части избыточного объема выбуренной породы.

С целью уменьшения расхода материалов на каждом интервале бурения должна решаться задача оптимизации объема раствора, не обусловленного потребностями технологии промывки. Затем вычисляют стоимость перехода от одного раствора на каком-то интервале к другому раствору на другом интервале. Переходы от тех типов растворов, которые получаются расширением номенклатуры веществ, осуществляют добавлением недостающих химических реагентов и материалов, а в противном случае – полной заменой раствора.

Оптимальный расход материалов и химических реагентов на перевод растворов с одной рецептурой и объемом в другой раствор с другой рецептурой и объемом, необходимый для разбуривания какого-то интервала, определяют методом линейного программирования.

Лекция № 16. Общая характеристика применения ТР. Классификация ТМ.

Тампонажные материалы представляют собой специальные материалы или составы, используемые для тампонирования - заполнения скважин или отдельных ее интервалов.

Тампонажные составы со временем могут затвердевать с образованием тампонажного камня, либо загустевать или упрочняться, оставаясь вязкой или вязко-пластичной системой.

Поскольку разнообразны цели и методы применения ТМ, постольку различны и требования к ним. Важную роль играют горно-геологические условия строительства скважин. Эти условия усложняются по мере увеличения глубин и совершенствования технологии строительства скважин. В связи с этим предусмотреть все случаи и условия использования ТМ невозможно, поэтому главным требованием к ТМ является возможность регулирования их свойств в широких пределах.

В зависимости от назначения тампонирования ТМ выполняют различные функции. Рассмотрим их.

1. Изоляция интервалов залегания пластов с различными свойствами.

2. Защита обсадных труб от коррозии и повышение их устойчивостик нагрузкам. Пластовые воды часто имеют высокую минерализацию и поэтому обсадные трубы активно корродируют. Изоляция затрубного пространства исключает коррозию обсадных труб и повышает их устойчивость к различным нагрузкам.

3. Закрепление обсадных колонн производится для предупреждения обвалов стенок

скважин и для изоляции каверн и крупных трещин.

4. Ликвидация поглощения БР и водопроявления.

5. Ликвидация скважины. Производится после завершения бурения разведочных скважин.

Выбор и регулирование свойств ТМ определяются в основном условиями строительства скважины, изменяющимися в процессе строительства и эксплуатации в широких пределах по степени воздействия на ТР и ТК.

К наиболее важным факторам, определяющим выбор ТМ., следует отнести температуру, перепад температур между верхней и нижней отметками глубины расположения ТР.

Температура ОС определяет в основном выбор того или иного ТМ а перепад температур – выбор рецептуры ТР, т.к. рецептура постоянного состава, выбранная для одной операции и ориентированная в основном на максимальную статическую температуру, приводит к тому, что ТР затвердевает не в одно и то же время, а верхние участки его могут не схватиться. Осложняющим фактором является колебания температуры, вызывающие фазовые переходы в поровой среде – кристаллизацию из раствора, замерзание воды, вскипание поровой жидкости.

Важное значение как для технологии Т. работ, так и для твердения камня из раствора имеет давление. Встречаются пласты, когда давление флюидов превышает обычное в 1.3 – 2 раза. Такое давление называют аномально высоким пластовым давлением (АВПД). В случае АВПД жидкость или газ в поровом пространстве пород пласта находится частично под действием горного давления. На величину АВПД влияет также повышение температуры окружающих пород.

Очень часто при тампонажных работах встеречаются пласты с пониженным давлением. На процесс твердения и долговечность ТМ значительно влияет перепад давления между отдельными частями скважины, вызывающий движение ТМ, а также вдоль поверхности контакта его с ОС или ругими частями скважины. Фильтрация жидкостей или газов через малопрочный ТМ при водит к его размыву, а в прочном тампонажном камне может вызвать коррозионные процессы, способствующие проникновению вглубь его растворенных агрессивных компонентов.

Одним из важнейших факторов, определяющих выбор вида и состава ТМ, является химический состав ОС, особенно наличие в ней воды, хорошо растворимых солей и кислых газов. Это главный фактор, влияющий на долговечность ТМ.

В настоящее время в качестве ТМ широко применяются различные вещества, обеспечивающие твердение, например, минеральные вяжущие вещества, образующие при смешении или так называемом затворении с водой или водными растворами солей нерасслаивающиеся суспензии, способные к затвердеванию. Природа твердения таких суспензий сложна и многообразна и связана с химической реакцией между частицами порошка (твердой фазы суспензии) и жидкостью затворения.

Химические вещества, обеспечивающие затвердение ТР, называются базовыми ТМ или базовыми ТЦ. Вещества, вводимые для регулирования свойств ТР или образующегося затвердевающего ТМ, называют добавками. ТМ, содержащие добавки, называются модифицированными. Модифицированные добавки можно вводить в порошкообразный ТМ, в жидкость затворения или в приготовленный ТР.

Классификация ТМ и ТР

Тампонажные цементы (ТЦ) классифицируют по следующим при­знакам:

· виду клинкера и составу основных компонентов,

· температуре применения,

· средней плотности тампопажного цементного теста,

· устойчивости к воздействию агрессивных пластовых вод,

· объемным деформациям при твердении.

По виду клинкера и составу основных компонентов тампо­нажные цементы подразделяют па:

· тампонажные цементы па основе портландцементного клин­кера,

· тампонажные цементы на основе глиноземистого клинкера,

· тампонажные цементы бесклинкерные.

Тампонажные цементы на основе портландцементного клин­кера по вещественному составу в зависимости от содержания и вида добавок подразделяют на:

· тампонажный портландцемент бездобавочный;

· тампонажный портландцемент с минеральными добавками;

· тампонажный портландцемент со специальными добавками, регулирующими свойства цемента. Перед наименованием тако­го цемента добавляется наименование добавки.

По температуре применения (°С) тампонажные цементы подразделяют на цементы для:

· низких температур — ниже 15,

· нормальных температур — от 15 до 50,

· умеренных температур — от 50 до 100,

· повышенных температур — от 100 до 150,

· высоких температур — от 150 до 250,

· сверхвысоких температур — выше 250,

· циклически меняющихся температур.

По средней плотности тампонажного цементного теста (г/см³) цементы подразделяют на:

· легкие — ниже 1,40,

· облегченные — от 1,40 до 1,65,

· нормальные – от 1,65 до 1,95,

· утяжеленные —от 1,95 до 2,30,

· тяжелые — выше 2,30.

По устойчивости тампонажного камня к воздействию агрес­сивных пластовых вод тампонажные цементы подразделяют на:

· цементы, к которым не предъявляюттребований по устой­чивости тампонажного камня к агрессивности пластовых вод,

· устойчивые к сульфатным пластовым водам,

· устойчивые к кислым (углекислым, сероводородным) плас­товым водам,

· устойчивые к магнезиальным пластовым водам,

· устойчивые к полиминеральным пластовым водам.

По объемным деформациям тампонажного камня при твер­дении в водной среде в 3-суточном возрасте цементы подраз­деляют на:

· цементы, к которым требования ну предъявляют,

· безусадочные с расширением не более 0,1%,

· расширяющиеся с расширением более 0,1%.

В зависимости от жидкости затворения тампонажные рас­творы могут быть разделены на водные, водоэмульсионные, нефтецементные (дизельное топливо, керосин, нефти и др.)

По роду добавок-наполнителей тампонажные цементы раз­деляются на песчаные, волокнистые, гельцементые, пуццолановые, перлитовые, гематито-магнетитовые, бентонитовые и др.

Различают тампонажные растворы обычные и с пониженной водоотдачей.

По срокам схватывания тампонажные растворы могут быть разделены на быстросхватывающиеся с началом схватывания раньше 0 ч 40 мин, ускоренно схватывающиеся с началом схва­тывания 0 ч 40 мин – 1 ч 20 мин, нормально схватывающиеся с началом схватывания более 4 ч 30 мин.

Цементы могут быть выделены по прочности камня и вре­мени ее достижения: с высокой начальной прочностью и обычные.

В США выпускаются цементы семи классов, применяющие­ся для цементирования скважин различной глубины с высокой и низкой забойными температурами. К некоторым цементам предъявляются требования высокой начальной прочности, по­вышенной сульфатостойкости и т. д. Цементы всех классов имеют основой портландцемент и поэтому для применения при высоких температурах и давлениях требуют введения замедли­телей сроков схватывания. Кроме основных цементов, выпускае­мых промышленностью США, соответствующие фирмы сов­местно с научно-исследовательскими организациями произво­дят в небольших количествах как модифицированные (с раз­личными добавками и наполнителями), так и бесклинкерные цементы применительно к конкретным условиям.

Лекция № 17. Базовые тампонажные материалы (тампонажный портландцемент, активные и инертные добавки)

Тампонажный портландцемент (ТЦ)

Тампонажный портландцемент представляет собой разно­видность силикатного цемента. Это продукт, состоящий из сме­си измельченных материалов заданного минерализованного со­става. Основная часть портландцемента — клинкер, который получается обжигом специальной смеси известняка и глины (мергеля) до спекания (температура примерно 1450°С) входя­щих в ее состав компонентов. Известь (мел, известняк) при обжиге дает оксид кальция, глина является источником крем­незема (SiO₂), глинозема (А1₂О₃) и оксида железа (Fе₂О₃).

При помоле к клинкеру добавляют 3—6% гипса для регу­лирования структурообразования цементного раствора и повы­шения начальной прочности цементного камня. Вводят также 10—15% минеральных добавок — шлака, трепела, опоки, из­вестняка, песка и др. Они способствуют улучшению некоторых свойств раствора и камня и обеспечивают экономию дорого­стоящего клинкера.

Тампонажный портландцемент (клинкер) состоит из оксидов, основные из которых следующие (в %):

Оксид кальция (СаО) – 60 – 66 %; Кремнезем (SiO₂) – 18 – 25 %; Глинозем (А1₂О) – 4 – 8 %; Оксид железа (Fе₂О₃) – 0.5 – 5.0 %

В зависимости от содержания указанных оксидов сущест­венно изменяются свойства тампонажного раствора и камня.

Активные свойства тампонажного портландцемента (ТЦ) опреде­ляются в основном химически связанным оксидом кальция (СаО) с кремнеземом, глиноземом и оксидом железа.

Кремнезем способствует образованию силикатов кальция и алюминия, придает цементу гидравлические свойства, т. е. спо­собность затвердевать и длительное время работать в водной среде. Увеличение оксида железа в цементе приводит к замед­лению процесса схватывания тампонажных растворов и сни­жает раннюю прочность цементного камня.

В качестве примесей в портландцементе содержатся еще некоторые оксиды (в %): MgO, K₂O+Na₂O, SO₃, TiO₂, P₂O₅, MnO (0.1 – 0.5 %).

Оксид магния (МgО) в избыточных количествах (более 4,5 %) вызывает увеличение объема и разрушение твердеющего цементного камня; это объясняется тем, что МgО, находясь в химически не связанном состоянии и клинкере, медленно гидратируется (вступает во взаимодействие с водой) в то время, когда раствор уже затвердел.

Диоксид титана TiO₂ в количестве 4—5% при соответ­ствующем уменьшении содержания кремнезема (SiO₂) повы­шает прочность камня из этого цемента.

Закись марганца МпО в количестве до 4 % и фосфорный ан­гидрид (Р₂О₅) до 1—2% не оказывают вредного действия на свойства раствора и камня, но Р₂О₅ способствует замедлению сроков схватывания при нормальных условиях.

Содержание натриевой и калиевой щелочей в количестве более 0,3—0,4 % нежелательно, так как приводит к резким ко­лебаниям процессов схватывания раствора.

Дата добавления: 2014-01-03