книги / Справочник мастера по сложным буровым работам

П р о д о л ж е н и е т а б л , 5. 7

5.5. ТАМПОНАЖНЫЕ СМЕСИ ДЛЯ ИЗОЛЯЦИИ ЗОН ПОГЛОЩЕНИЯ

5.5.1. Требования к тампонажным смесям

Для изоляции зон поглощения широко применяют различные тампонаж­ ные смеси н пасты, получаемые на основе неорганических вяжущих ма­ териалов (цементов, гипса), полимерных соединений, глинистого раствора с добавками наполнителей и химических реагентов. Успех работ по пере­ крытию каналов ухода бурового раствора в пласт зависит от структурно­ механических свойств тампонажных смесей, правильно подобранных ре­ цептур и технологии доставки их в скважину.

К тампонажным смесям, используемым для изоляции зон поглощения, предъявляют следующие требования [7]:

1) тампонажная смесь должна обладать хорошей текучестью и со­ хранять ее в течение времени, необходимого для закачивания и продавливания ее в каналы поглощающего пласта;

2) плотность смеси должна быть близкой к плотности бурового рас­ твора, что в меньшей степени нарушает равновесие в системе скважина — пласт;

3) сроки схватывания, а также пластическая прочность смеси должны легко регулироваться; начало схватывания смеси должно превышать

211

время, необходимое для проведения операций по накачиванию ее в пласт на 20—25 %, по нс мспсс чем на 10— 15 мин;

4)смесь должна сохранять стабильность при температуре и давлении, имеющих место в скважине-

5)смесь должна быть устойчивой к разбавлению пластовыми водами;

6)после закачивания в зону поглощения смесь должна быстро схва­ тываться и приобретать за короткий срок достаточную прочность: нс ме­ нее 0,5—1,4 ЛШа при испытании образцов на сжатие через 8—16 ч;

7)смесь должна быть нетоксичной и недефицитной.

5.5.2. Свойства тампонажных смесей

Тампонажные смеси подбирают по структурно-механическим и реоло­ гическим показателям, основные из которых: подвижность, сроки схваты­ вания, время загустсвания, водоудерживающая способность, плотность и прочность.

Подвижность тампонажной смеси определяют для выяснения возмож­ ности прокачивания ее в скважину. От подвижности смеси зависит вели­ чина гидравлических сопротивлений при прокачивании ее в скважину. Гид­ равлические сопротивления могут быть рассчитаны, если известны реоло­ гические параметры тампонирующей смеси — пластическая вязкость гр статическое 0 и динамическое т0 напряжение сдвига. Эти величины находят с помощью капиллярного или ротационного вискозиметра. При испытании тампонажных смесей в производственных условиях используют косвенные методы оценки подвижности по растекаемости и с помощью консисто­ метра.

Растекаемость тампонажной смеси измеряют с помощью конуса АзНИИ. Она характеризует подвижность смеси в момент окончания ее приготовления. Этот показатель условный, так как зависит от длительно­ сти и интенсивности перемешивания смеси. В момент определения расте­ каемости смесь неподвижна т. е. находится в статическом состоянии, а при прокачивании — двигается.

Способность тампонирующей смеси к прокачиванию более точно мо­ жет быть определена по сопротивлению, которое она оказывает перемеши­ ванию лопастной мешалкой. При этом интенсивность перемешивания должна соответствовать интенсивности перемешивания смеси при дви­ жении в скважине во время прокачивания. Определение начальной конси­ стенции тампонажной смеси при непрерывном перемешивании производят с помощью консистометра [12].

При проведении изоляционных работ необходимо знать время, в те­ чение которого тампонирующая смесь в условиях конкретной скважины сохраняет подвижность (прокачиваемость), и время, когда смесь превра­ щается в камень. Скорость схватывания тампонирующей смеси зависит от вида и состава компонентов, их свойств, водосмесевого отношения, каче­ ства воды затворения, наличия в ней растворенных реагентов, темпера­ туры и давления в скважине. Наиболее быстро тампонирующая смесь схватывается в состоянии покоя. В статических условиях сроки схваты­ вания определяют с помощью иглы Вика.

212

Этот способ основан на периодическом намерении глубины погруже­ ния в твердеющую тампонирующую смесь иглы определенного сечения под действием определенной массы. По методу Вика скорость схватывания характеризуется сроками схватывания — начала и конца. Более точно про­ цесс схватывания может быть охарактеризован по кинетике нарастания прочности развивающейся структуры в тампонирующей смеси. Для этой цели применяют метод конического пластомера, разработанный П, А. Ре­ биндером. Измерение пластической прочности позволяет охватить од­ ним достаточно простым методом всю область от пластично-текучей сус­ пензии до камня. Объективность значения пластической прочности как вы­ ражения предельного статического напряжения сдвига сохраняется только при измерении пластического состояния тампонирующей смеси, имеющей коагуляционную структуру.

Если образец приобретает коагуляционно-кристаллизационную струк­ туру, то при погружении конуса вместо течения развиваются явления смятия.

Метод заключается в определении глубины погружения конуса в иссле­ дуемый материал под действием постоянной силы. Пластическую проч­ ность рассчитывают по формуле

Сроки схватывания тампонирующих смесей в условиях температур и давлений определяют в специальных автоклавах [12].

Процесс схватывания тампонажной смеси, находящейся в движении, проявляется в увеличении его динамического напряжения сдвига т0 и пла­ стической вязкости г), что приводит к увеличению гидравлических сопро­ тивлений при движении смеси в трубах и в затрубном пространстве, а также к повышению давления в насосах. Это может вызвать прежде­

смеси в области, близкой к пределу прокачиваемости, связано с некото­ рыми трудностями. Поэтому на практике исследуют изменение консистен­ ции во времени с помощью консистометра. Время с момента затвердения смеси до момента, когда его кажущаяся вязкость — консистенция — станет такой, что ее невозможно будет прокачивать насосами, называют време­ нем загустевания.

Тампонирующая смесь должна обладать определенной водоудержи­ вающей способностью. Водоотделение из тампонажной смеси в скважине может происходить в следующих случаях. Если тампонажная смесь после закачивания в скважину длительное время не схватывается, то водоот­ деление происходит в результате седиментации частиц твердой фазы. Водо­ отделение в проницаемые пласты возникает также при превышении гидро­ статического давления столба раствора (смеси) в скважине над пластовым.

213

Седнментационная устойчивость тампонажной смеси характеризуется

• '' I

где /Св — коэффициент водоотделения, %; V] — первоначальный объем там­ понажной смеси, см3; У2— объем осевшей тампонажной смеси, см3.

Условный показатель фильтрации тампонажной смеси определяют с по­ мощью прибора ВМ-6. Показатель фильтрации тампонажной смеси в усло­ виях, приближенных к условиям скважины, определяют с помощью уста­ новки УВЦ-1, изготовленной во ВНИИКАнефтегазе и Краснодарнипинефти.

Плотность тампонирующих смесей может быть найдена многими ме­ тодами, например с помощью ареометров AIM или АГ-2.

Такие показатели, как растекаемость, сроки схватывания, прочность образцов на изгиб и сжатие, измеряют в соответствии с ГОСТ 1581—78.

5.5.3. Выбор тампонажных смесей

Наиболее распространенным способом изоляции естественных каналов в поглощающих пластах является нагнетание в них тампонажных смесей. Тампонажная смесь должна прекратить свое движение в каналах пласта при заполнении их на некоторое расстояние от ствола скважины. Связь между структурно-механическими свойствами смеси, величиной раскрытия каналов в пласте и избыточным давлением в системе ствол — скважины — пласт описывается следующей зависимостью [17]:

где 0 — статическое напряжение сдвига, Па; Ар — избыточное давление на

времени. Исследованиями [2] было установлено, что по величине пласти­ ческой прочности можно рассчитать статическое и динамическое напряже­ ние сдвига, используя следующие зависимости:

понажная смесь проникла в глубь пласта по наиболее крупным поглощаю­ щим каналам на расстояние 1—5 м при избыточном давлении 0,5—3,0 МПа

[2, 17].

Величину раскрытия трещин определяют способами, описанными в раз­ деле 5.3.

214

Рекомендуемые значения структурно-механических свойств тампонаж­ ной смеси для различных величин раскрытия каналов поглощения приве­ дены в табл. 5.8.

Т а б л и ц а 5.8

Структурно-механические и реологические параметры тампонажных смесей регулируются количественным и качественным соотношением ком­ понентов в смеси, а также вводом различных реагентов и наполнителей.

Поскольку качество материалов, а также параметры, характеризующие поглощающие пласты в разных скважинах и даже в одной на различ­ ных глубинах, не одинаковы, то состав смеси подбирается в промысловой лаборатории отдельно для каждого случая. Перед началом операции не­ обходимо на месте проверить сроки схватывания тампонажных смесей.

5.5.4. Смеси на основе тампонажных цементов

Быстрасхватывающиеся смеси БСС. Для сокращения сроков схваты­ вания и получения высокой прочности цементного камня на ранней ста­ дии твердения в тампонажный цементный раствор вводят ускорители схватывания: хлористый кальций, кальцинированную соду, углекислый ка­ лий (поташ), хлористый алюминий, хлористый натрий, сернокислый глино­ зем, жидкое стекло, каустическую соду, высокоминерализованную пласто­ вую воду хлоркальциевого типа и др.

Количество вводимых ускорителей обычно не превышает б—8 % це­ мента в пересчете на сухое вещество. Время ожидания затвердевания БСС в 3—4 раза меньше, чем в тампонажных растворах.

Так как ускорители часто поступают на промыслы в виде водного раствора, то при приготовлении БСС необходимо знать содержание в нем сухого вещества (табл. 5 9).

Плотность водного раствора ускорителя необходимо проверять непо­ средственно на буровой, так как при хранении и перевозке в открытой таре возможна его конденсация или разбавление атмосферными осадками.

Водные растворы ускорителей схватывания можно добавлять в воду затворения цемента и в цементный раствор, а порошкообразные ускори­ тели— в сухой цемент или цементный раствор.

Гельцемент получают затворением тампонажного цемента на бентони­ товом глинистом растворе плотностью 1040—1060 кг/м3. При отсутствии бентонитовой глины можно применять глинистый раствор из местных глин

215

с большей концентрацией последней в растворе. Гельцементные растворы можно приготовлять также смешиванием цемента и глинопорошка с по­ следующим затворением водой.

Для получения густых гельцементных смесей рекомендуется добавлять в глинистый раствор 2,5—3 кг кальцинированной соды на 1 м3 раствора.

Цементно-бентонитовые пасты плотностью 1300—1500 кг/м3 приготов­ ляют из смеси цемента и глины, взятых в соотношении 2 : 1 при водосмесевом отношении 0,9—1,0. Эти пасты отличаются стабильной плотно­ стью и высокой начальной растекаемостью, составляющей 16,5 см по конусу АзНИИ. В промысловых условиях такие пасты получают в гидро­ смесителях при перепаде 0,3—0,4 МПа на штуцере диаметром 14 мм. В смесь добавляют ускорители схватывания.

Стабильными структурно-механическими свойствами обладают тампо­ нажные смеси, состоящие из тампонажного цемента (70 %) и глинопорошка (30 %) с добавкой к ним сернокислого глинозема (до 6 %). Эти смеси от­ личаются большим диапазоном показателей реологических свойств и удов­ летворяют требованиям надежной изоляции поглощающих пластов [2].

Тампонажный раствор с высоким показателем фильтрации ТРВВ [20]. Разработанный во ВНИИБТ ТРВВ рекомендуется применять для изоля­ ции зон поглощения бурового раствора в трещиноватых породах. Полу­ чают ТРВВ путем смешивания цементного раствора пониженной плотности (1450—1500 кг/м3) и утяжеленного глинистого раствора плотностью 1500—1600 кг/м3.

2 1 6

его в скважину производят обычным путем. После заливки бурильные трубы поднимают выше предполагаемого уровня газоцементного раствора

искважину промывают. Время ОЗЦ составляет 10—12 ч.

Вотличие от обычного цементного раствора газоцементный обладает способностью расширяться за счет выделения водорода. Процесс газовыделения сопровождается резкой потерей подвижности смеси. Рост объ­ ема и потеря подвижности в период поступления раствора в поглощающую зону служат его основными положительными качествами, обеспечиваю­ щими надежную изоляцию.

Облегченные смеси с широким диапазоном изменения плотности (820— 1400 кг/см3) можно получить путем добавления в воду затворения кера­ тинового клея, который повышает сроки схватывания смеси. Объем це­ ментно-клеевых растворов в процессе твердения увеличивается. Образцы цементно-клеевых растворов имеют пористость 50—70 % при проницаемо­ сти (40—60) 10-2 мкм2.

Смеси с наполнителями. Ввод наполнителей в цементные растворы по­ вышает закупоривающие свойства смеси и способствует сокращению вре­ мени и средств, затрачиваемых на борьбу с поглощениями промывочной жидкости.

Вкачестве наполнителей применяют: кожу «горох», кордное волокно, слюду-чешуйку, целлофан, резиновую крошку, песок, известняк, древесные

чаемого цементного камня в цементный раствор с наполнителями вводят ускорители схватывания.

При отсутствии данных о размерах поглощающих каналов целесооб­ разно применять смеси с различными типами наполнителей.

Количество наполнителей, вводимых в цементный раствор, составляет 3—10 %. Растекаемость тампонажной смеси с наполнителем по конусу АзНИИ для обеспечения нормальной работы цементировочных агрегатов должна быть не менее 12—14 см.

5.5.5. Смеси на основе гипса

Для временной изоляции поглощающих пластов с температурой около 25—35 °С можно применять смеси на основе высокопрочного или строи­ тельного гипса.

Особенность этих вяжущих заключается в высокой скорости нарас­ тания прочности камня. Прочность высокопрочного гипса составляет 1,6— 2,1 МПа через 1 ч, а строительного — 4,0—5,5 МПа через 2 ч (при от­ ношении воды к гипсу 0,6).

В качестве замедлителей схватывания этих смесей используют триполифосфат натрия, трииатрийфосфат, гексаметафосфатнатрия, ССБ, КМЦ, нейтрализованный черный контакт с кальцинированной содой, техническую буру.

Недостаток чистых гипсовых смесей состоит в том, что гипсовый там­ пон со временем разрушается и может возобновиться поглощение.

218

Ввиду высокой стоимости гипсоглиноземистый цемент применяют в смеси с другими цементами и наполнителями. Быстросхватывающуюся расширяющуюся смесь можно получить при добавлении в тампонажный цемент 20—30 % гипсоглиноземистого цемента. Для облегчения в смесь тампонажного и гипсоглиноземистого цемента добавляют до 30 % легких добавок, например диатомита.

5.5.7. Смеси на углеводородной основе

Быстросхватывающиеся тампонажные смеси на углеводородной ос­ нове представляют собой суспензии, в которых тампонажный цемент, на­ полнитель и ускоритель находятся во взвешенном состоянии. Благодаря инертности цемента к углеводородным жидкостям эта смесь не схваты­ вается, что позволяет безопасно транспортировать ее по бурильным тру­ бам на значительную глубину. При контакте с водой последняя вытес­ няет углеводородную жидкость из смеси, после чего смесь загустевает и схватывается, образуя прочный цементный камень. Для получения по­ движной и легко прокачиваемой смеси с высоким содержанием твердой фазы в углеводородную жидкость вводят поверхностно-активные ве­ щества.

Состав соляроцементной смеси: цемент, 30—50 % дизельного топлива, 0,5—1,0% ПАВ (крезола) и 6% порошкообразного ускорителя (кальци­ нированной соды). Для большей прочности цементного камня в смесь вводят до 30—50 % кварцевого песка. Состав наиболее часто применяе­ мой соляробентонитоцементной смеси: 1 м3 дизельного топлива, 1—2 т бентонитовой глины, 0,3—0,5 т цемента, 0,5—1,0 % ПАВ.

Смеси можно получать также при частичной (до 25%) замене в них цемента гипсом, а также затворения гипса на дизельном топливе.

Приготовление соляробентонитоцементной смеси. В емкость заливают расчетное количество дизельного топлива и растворяют в нем поверхно­ стно-активную добавку. В раствор засыпают предварительно приготовлен­ ную смесь бентонитовой глины н цемента, а затем перемешивают их до получения однородной массы. Смесь закачивают в скважину цементиро­ вочными агрегатами по бурильным трубам, установленным на 20—30 м выше зоны поглощения.

При прокачивании по бурильным трубам смесь должна быть сверху и снизу изолирована буферными порциями дизельного топлива объемом по 0,5 м3. С момента начала выхода смеси и до окончания выдавливания ее из труб в затрубное пространство закачивают буровой раствор объемом, равным 0,5—1,0 объему смеси.

В зону поглощения смесь продавливается при закрытом превенторе.

5.5.8. Смеси на основе полимеров

Опыт применения тампонажных смесей на основе полимеров для изо­ ляции зон поглощений показывает, что они имеют ряд преимуществ перед растворами минеральных вяжущих веществ: меньшая плотность тампонирующей смеси, широкий диапазон регулирования времени схваты-

220