Технология и материалы цементирования скважин в условиях аномально низких пластовых и аномально высоких давлений (АНПД и АВПД) презентация

Крепление скважины
Цели крепления скважин
Создание долговечного, прочного и герметичного канала для транспортировки жидкости или газа из пласта на поверхность или наоборот;
Герметичное разобщение всех проницаемых пластов друг от друга;
Укрепление стенок скважины, сложенных недостаточно устойчивыми породами;
Защита эксплуатационного канала от коррозии при контакте с агрессивными средами (пластовыми жидкостями, газами и др.);
Создание условий для прочного закрепления на устье противовыбросового и эксплуатационного оборудования.

Обсадные колонны
Обсадная колонна - свинченные друг с другом и опущенные в ствол обсадные трубы с целью изоляции слагающих ствол горных пород.

Обсадные колонны
Направление - первая колонна труб или одна труба, предназначенная для закрепления приустьевой части скважин от размыва буровым раствором и обрушения, а также для обеспечения циркуляции жидкости.
Кондуктор - колонна обсадных труб, предназначенных для разобщения верхнего интервала разреза горных пород, изоляции пресноводных горизонтов от загрязнения, монтажа противовыбросового оборудования и подвески последующих обсадных колонн.
Промежуточная обсадная колонна - служит для разобщения несовместимых по условиям бурения зон при углублении скважины до намеченных глубин.
сплошные
хвостовики
летучки
Эксплуатационная колонна - последняя колонна обсадных труб, которой крепят скважину для разобщения продуктивных горизонтов от остальных пород и извлечения из скважины нефти или газа или для нагнетания в пласты жидкости или газа.

Обсадные колонны
Технологическая оснастка обсадной колонны состоит из следующих элементов:
Башмак
Обратный клапан
Упорное кольцо
Оборудование на наружной поверхности
Скребки
Турбулизаторы
Центраторы

Башмак
Центратор
Турбулизатор
Обратный клапан
Скребки

Цементирование скважины
Цементирование скважины — процесс, который следует сразу после окончания буровых работ. Заключается в том, что в затрубное или межтрубное (в случае, если обсадная труба помещена в более широкую полиэтиленовую трубу) вводится цементный раствор, который со временем затвердевает, образуя монолитный ствол скважины.

Цементирование скважины
Требования к технологии цементирования:
цементирование предусмотренного интервала по всей его протяженности;
полное замещение промывочной жидкости тампонажным раствором в пределах цементируемого интервала;
предохранение тампонажного раствора от попадания в него промывочной жидкости;
получение цементного камня с необходимыми механическими свойствами, с высокой стойкостью и низкой проницаемостью; обеспечение хорошего сцепления цементного камня с обсадной колонной и стенками скважины

Способы цементирования
сплошное или одноступенчатое
двухступенчатое
манжетное
обратное

Одноцикловое (одноступенчатое) цементирование с двумя пробками
Схема этапов выполнения:
I – начало подачи цементного раствора в скважину
II – подача закачанной порции цементного раствора по обсадной колонне
III – начало продавки в затрубное пространство
IV – окончание продавки
1 – манометр
2 – цементировочная головка
3 – верхняя пробка
4 – нижняя пробка
5 – цементируемая обсадная колонна
6 – стенки скважины
7 – стоп-кольцо
8 – продавочная жидкость
9 – буровой раствор
10 – цементный раствор

Двухцикловое (двухступенчатое) цементирование
Раздельное последовательное цементирование двух интервалов в стволе скважины (нижнего и верхнего).
Уменьшение пластовое давление, если уровень поднятия смеси слишком высок
снижение процента загрязнения смеси, которое может произойти при соединении с жидкостью для промывки
Отсутствие термического влияния на качество цемента
2 способа - непрерывного цементирования и цементирование с разрывом

Манжетное цементирование
Применяется, когда необходимо предупредить загрязнение цементным раствором продуктивных горизонтов с низким пластовым давлением или избежать попадания цементного раствора в зону расположения фильтра.
Манжета для манжетного цементирования
1 – обсадная труба
2 – заливочные отверстия
3 – манжета
4 – муфта
5 - клапан

Обратное цементирование
Цементный раствор с поверхности закачивают прямо в затрубное пространство, а находящийся там буровой раствор через башмак поступает в обсадную колонну и по ней выходит на поверхность.
широкого промышленного применения пока не получил в силу ряда технических трудностей (сложности контроля момента достижения цементным раствором низа обсадной колонны и надежного обеспечения высокого качества цементирования в этой части)

Конструкции призабойных зон пласта
Выбор конструкции ПЗП зависит от типа коллектора, водоносных горизонтов, коэффицента проницаемости, типа эксплуатации.
1. ПЗП с открытым стволом уменьшенного диаметра. Бурение до кровли продуктивного пласта, спуск и цементирование обсадной колонны.
2. ПЗП с открытым стволом диаметра бурения под эксплуатационную колонну. Бурение со вскрытием пласта с последующим цементирование до кровли.

Конструкции призабойных зон пласта
3. Перфорационный. При бурении вскрывается пласт на всю толщину с возможностью разместить цементный стакан. Затем спускается эксплуатационная колонна, цементируется и вскрывается перфорацией.
4. Бурение скважины до кровли, спуск и цементирование эксплуатационной колонны, вскрытие пласта долотом меньшего диаметра, спуск и цементирование в интервале пласта хвостовика из обсадных труб, который впоследствии перфорируется.

Тампонажные материалы
Тампонажный материал – материал, состоящий из смеси вяжущих веществ и минеральных и органических добавок, дающий при смеси с водой легкоподвижную и не расслаивающуюся в определенном диапазоне температур суспензию, которая с течением времени превращается в камневидное твердое тело.

Классификация тампонажных цементов
По вещественному составу цементы подразделяют на следующие типы:
тампонажный портландцемент бездобавочный (I)
тампонажный портландцемент бездобавочный с нормированными требованиями при водоцементном отношении, равном 0,44 (I-G)
тампонажный портландцемент бездобавочный с нормированными требованиями при водоцементном отношении, равном 0,38 (I-Н)
тампонажный портландцемент с минеральными добавками (II)
тампонажный портландцемент со специальными добавками, регулирующими плотность цементного теста (III)

Классификация тампонажных цементов
По плотности цементного теста цемент типа III подразделяют на:
облегченный
утяжелённый
По температуре применения цементы типов I, II и III подразделяют на цементы, предназначенные для:
низких и нормальных температур (15-50)°С
умеренных температур (51-100)°С
повышенных температур (101-150)°С

Классификация тампонажных цементов
Клинкерные: портландцемент, глиноземистый клинкер
Бесклинкерные: шлаковые, известково-песчаные
На их основе производятся модифицированные цементы: облегченные, утяжеленные, термостойкие, коррозионностойкие.
Наиболее часто применяемый цемент – портландцемент (применяется в 90% скважин, еще в 8% скважин применяются цементы на его основе).

Портландцемент
Массовая доля четырех основных оксидов:
CaO - 64-68%
SiO2 - 19-23%
Al2O3 – 4-8%
Fe2O3 – 3-6%
Содержание других оксидов в клинкере:
MgO – 0,1-5,0%
K2O+Na2O – 0,8-1,4%
SO3 – 0,3-1,0%
TiO2 – 0,2-0,5%
P2O5 – 0,1-0,3%

Портландцемент
Минералы, содержащиеся в клинкере:
Минералы-силикаты:
3CaO*SiO2
2CaO*SiO2
Минералы-плавни:
3CaO*Al2O3
4CaO*Al2O3*Fe2O3

Добавки к портландцементу
Гипс СaSO4∙2H2O (3-6%)
Инертные материалы: известняк и кварцевый песок (до 10% по массе)
Природные
осадочного происхождение (не более 10%)
Диатомиты, трепелы, опоки, глиежи
вулканического происхождение (не больше 20%)
Пеплы, туфы, пемзы, трассы
Искусственные
Кремнеземистые отходы, обоженные глины, топливные золы и шлаки, доменные гранулированные и электротермофосфорные шлаки.

Добавки к портландцементу
Органические добавки (поверхностно-активные вещества) :
Гидрофильно-пластифицирующие
Гидрофобно-пластифицирующие
Мылонафт
Асидол
Асидол-мылонафт
ГКЖ-94
При вводе активных добавок увеличивается седиментационная и коррозионная устойчивость, но ухудшается его подвижность и сохранность.

Номенклатура ТЦ: ГОСТ 1591-96
I – тампонажный цемент бездобавочный I-G, I-H – тампонажный цемент бездобавочный с нормированными требованиями при водоцементном отношении, равном 0,44 и 0,38;
II – портландцемент с минеральными добавками,
III – портландцемент с добавками, регулирующими плотность (подразделяется на облегченный (Об) и утяжеленный (Ут)). По температуре применения: низкие и нормальные (15-50), умеренные (51-100) и повышенные (выше 100).
А) типы I, II, III – обычный и сульфатостойкий (СС)
Б) типа I-G и I-H – высокой сульфатостойкости (CC-1) и умеренной сульфатостойкости (СС-2).
Обозначение гидрофобизации или пластификации цемента – ГФ или ПЛ.
Обозначение цемента должно состоять из: названия цемента (ПЦТ), обозначения типа (I,II,III), обозначения сульфатостойкости, обозначения средней плотности для цемента типа III, обозначения максимальной температуры применения, обозначения гидрофобизации или пластификации.

Показатели качества

Механизм твердения
Процесс гидролиза и гидратации трёх- и двухкальциевого силиката
При взаимодействии трёхкальциевого алюмината с водой образуется гидроалюминат кальция:
Замедление схватывания осуществляется путём добавки небольшого количества двуводного гипса, в результате чего образуется труднорастворимый гидросульфоалюминат кальция (эттрингит):
Четырёхкальциевый алюмоферрит при действии воды расщепляется с образованием шестиводного трёхкальциевого алюмината и гидроферрита кальция:
Однокальциевый гидроферрит, взаимодействуя с гидроксидом кальция, который образовывался при гидролизе трехкальциевого силиката, переходит в более высокоосновный гидроферрит кальция
, гидроалюминат связывается с добавкой гипса, а гидроферрит выходит в состав цементного геля.

Технологические параметры цемента
Подвижность раствора
Сроки схватывания
Время загустевания
Плотность
Определение фильтрации при статических условиях
Определение прочности цементного камня
Проницаемость камня.
Определение водоотделения.

Регулирование свойств ТР
Ускорение/замедление сроков схватывания
Понижение вязкости тампонажного раствора
Уменьшение водоотдачи тампонажного раствора
Регулирование плотности.

Ускорители
Ускоритель – добавка, уменьшающая срок схватывания и позволяющая достичь большой ранней прочности.
Вещества, повышающие диэлектрическую проницаемость воды и ускоряющие процесс гидролиза и полимеризации компонентов цемента
Создающие дополнительное количество полимерных гидратов в растворе и усиливающие гидратную полимеризацию в нём.
Усиливающие процесс гидратации за счет заполнения структурных полостей гидратной воды

Замедлители
Замедлитель схватывания применяют для того, чтобы схватывание раствора произошло после того, как тот будет закачан в скважину
Окси-, амино-карбоновые кислоты и их соли (виннокаменная, лимонная)
Сахара – сахарозы, глюкозы
Бораты и фосфаты
Производные лигнина: а)активированные гидролизные лигнины – нитролигнин, хлорлигнин б)лигносульфонаты
Природные таниновые продукты – синтан-5, экстракт квебрахо
Гуматы – УЩР, ТЩР
Производные сахаров: КМК, КМЦ, этансульфонатцеллюлоза
Продукты на основе винил-акриловых сополимеров

Реагенты – ускорители и замедлители сроков схватывания
В качестве ускорителей сроков схватывания применяют:
Хлорид кальция CaCl2 – 2-3% от массы цемента
Хлорид Алюминия AlCl3 до 10% от массы
Хлорид натрия NaCl 2-3%
В качестве замедлителей сроков схватывания применяют:
Лигносульфонаты Кальция
Сульфит-спиртовая барда (ССБ)
Сульфит-дрожжевая бражка (СДБ)
Карбоксиметилгидроксиэтилцеллюлоза (КМГЭЦ)
Карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ)
Виннокаменная кислота
Карбамид (NH2)2CO
Нитрилотриметилфосфоновая кислота

Регуляторы реологических свойств
КССБ – конденсированная сульфит-спиртовая барда, понижение показателя фильтрации в буровых растворах
ФХЛС – феррохромлигносульфонат, реагент для уменьшения вязкости и предельного напряжения сдвига
Мочевина (карбамид), может выступать как реагент повышающий вязкость или понижающий (в зависимости от температуры)
Полифенол лесохимический (ПФЛХ), понизитель вязкости и предельного напряжения сдвига, замедляет схватывание и твердение
Поливиниловый спирт (ПВС), значительно увеличивает вязкость ТЦ, но при этом замедляет схватывание
Сульфированный нитролигнин, , понижает вязкость и пластическое напряжение сдвига, при этом замедляет схватывание и твердение раствора

Пластификаторы
Нейтрализованный черный контакт (НЧК), хорошие свойства пеногасителя, умеренно пластифицирует растворы и замедляет их схватывание
Пластификатор адипиновый – пластифицирует цементные растворы, при этом не оказывая воздействия на гидратацию.
Пластификатор ВЛХК
Суперпластификатор С-3, очень сильный пластификатор
Суперпластификатор 10-03, сильные пластифицирующие свойства

Регуляторы водоотдачи
Понизители водоотдачи - высокомолекулярные анионногенные полиэлектролиты линейного строения с большой плотностью зарядов. Они стабилизируют глинистую суспензию, повышают ее агрегативную устойчивость, поэтому их часто называют реагентами-стабилизаторами.
Полимеры:
Окзил
ПАА
КМЦ
бентонитовая глина

Регуляторы плотности
Утяжеление:
барит
диоксид марганца
Гематит
феррофосфор
ферросилиций
Облегчение:
насыщение газом (воздухом или азотом)
легкие наполнители (полиэтиленовая крошка)
Также плотность можно регулировать изменением В/Ц

Антивспенивающие
Соапсток
Костный жир
Флотомасло
Окисленный парафин (ОКП-50)
ОКСИДАТ вжс
СКС-30 (РС)
Паста ВМС

Скважины с АНПД
1. Технология на основе микроцемента
Микроцемент дисперсностью 650 м2/кг при значениях В/Ц=0,6-0,9
Введение в состав раствора алюмосиликатных микросфер (АСПМ) в количестве до 30%, при значениях водоцементного отношения (В/Ц) в интервалах 0,6-0,8
Закачивание методами ступенчатого и обратного цементирования.
Строго регламентированная последовательность введения компонентов: «цементный порошок + АСПМ + вода+ стабилизатор».
высокая прочность
пониженная проницаемость
адгезия
короткие сроке схватывания
http://www.dissercat.com/content/obosnovanie-i-razrabotka-tamponazhnykh-sostavov-ponizhennoi-plotnosti-dlya-tsementirovaniya-#ixzz50t5LRUvw

Скважины с АНПД
2. Порошкообразные эрозионные буферные и расширяющиеся тампонажные смеси.
Основные компоненты - продукт термической и механохимической активации алюмосиликата (глины) разного химического состава, обладающий структурными свойствами
Порошкообразный воздухововлекающий компонент (получение аэрированных эрозионных буферных и расширяющихся тампонажных растворов)
Упругость
Высокая седиментационная устойчивость
Удерживающая и выносной способностью
Высокий кольматирующий эффект
Совместимость
http://www.dissercat.com/content/razrabotka-poroshkoobraznykh-smesei-i-tekhnologii-tsementirovaniya-skvazhin-v-usloviyakh-niz#ixzz50t5lJvrM

Скважины с АНПД
3. Патент Волго-Уральского научно-исследовательского и проектного института по добыче и переработке сероводородсодержащих газов
Состав, мас.%:
тампонажный цемент 15,8 - 27,5
хлорид натрия 3,8 - 6,1
зола - унос с содержанием CaO + MgO от 6,66 до 9,60% 13,2 - 19,3
цементная пыль с электрофильтров из отходящих газов вращающихся печей цементных заводов 13,2 - 19,3
вода – остальное
Заявляемый тампонажный раствор при затвердевании образует цементный камень повышенной прочности на изгиб, на сжатие, коррозионной стойкости

Скважины с АВПД
1. Патент Тюменского индустриального университета
Состав, масс. %:
портландцемент тампонажный - 53,85-50,0
утяжеляющая добавка - концентрат галенитовый из свинцовых руд - 23,05-26,92
замедлитель сроков схватывания - нитрилотриметилфосфоновая кислота - 0,015-0,03
Стабилизатор Натросол 250 EXR – 0,08-0,11
вода - остальное.
Обладает достаточным временем застывания
Низкий коэффициент водоотдачи
Предотвращяет газонефтепроявления
Снижает затраты на строительство скважин
Обладает седиментационной устойчивостью

Скважины с АВПД
2. Патент ООО «ТюменНИИгипрогаз»
Состав, мас.%:
портландцемент тампонажный 22,22-37,04
железорудный концентрат 51,85-37,04
стабилизатор ацетально-спиртовый 0,74 - 0,15
вода - остальное.
Повышение плотности
Увеличение растекаемости
Увеличение времени загустевания
Обеспечении сроков схватывания утяжеленного тампонажного раствора и прочности камня при умеренных и повышенных температурах