Материалы для приготовления буровых и тампонажных растворов
Для придания буровому раствору определенных свойств и поддержания их в процессе бурения его обрабатывают химическими веществами-реагентами. В качестве реагентов используют каустическую соду NaOH, кальцинированную соду Na2C03, углещелочной реагент (УЩР), гексаметафосфат натрия (ГМФН), сульфитспиртовую барду (ССБ), конденсированную сульфитспиртовую барду (КССБ), натриевую карбоксиметилцеллюлозу (КМЦ), хлористый натрий NaCl, хлористый калий КСl, хлористый кальций СаС12, гашеную известь Са (ОН) 2, крахмал, жидкое стекло Na2Si03, графит, нитролигнин, хлорлигнин, полифенолы, гидролизованный полиакрилонитрин (гипан) и многие другие.
Основное сырье для производства цемента - известковые и глинистые породы (известняк, глина, глинистый сланец), а также другие минералы с высоким содержанием карбоната кальция. Сырьем также может служить песок, железная руда и др.
Сухие сырьевые материалы тонко измельчают и смешивают в определенных пропорциях. Химический состав сухой смеси определяют лабораторным путем и при необходимости корректируют. Эту смесь равномерно подают в верхнее отверстие вращающейся печи, расположенной наклонно к поверхности земли. Пока смесь медленно перемещается к нижней части печи, с помощью горящего жидкого топлива и порошкообразного угля поддерживают в печи температуру 1427-1538°С. При этих условиях в сырьевой смеси происходит химическая реакция, в результате которой образуется новый материал - клинкер. Размеры клинкера бывают различными - от пыли до гранул диаметром в несколько сантиметров. Затем клинкер направляют в воздушные охладители, где его подвергают закалке за счет быстрого охлаждения воздухом и отправляют на хранение.
После определенного периода хранения клинкер измельчают совместно с определенной добавкой гипса и других веществ, и получается новый материал, называемый портландцементом.
При приготовлении цементных растворов применяют также цементы иного состава и различные добавки, изменяющие скорость затвердевания раствора и его плотность. В таблице 8 приведены области применения различных тампонажных цементов.
Рецептура буровых и тампонажных растворов, их основные параметры, приборы контроля параметров
На всех этапах сооружения и ремонта нефтегазовой скважины применяются различные материалы. Некоторые из материалов должны иметь строго регламентируемые свойства для безаварийной проводки скважины. К таким материалам относятся, прежде всего, буровые растворы, в более широком смысле называемые промывочными жидкостями, и их компоненты, и цементные, в более широком смысле тампонажные, растворы, используемые для крепления обсадных колонн.
Состав промывочной жидкости, обеспечивающей эффективность процесса бурения скважин, определяется:
1) геологическим строением района работ;
2) техническими условиями бурения;
3) требованиями к охране окружающей среды;
4) особенностями организации промывочного хозяйства.
Как правило, промывочная жидкость - это глинистый раствор, но применяют и безглинистые буровые растворы.
По влиянию на структуру и вязкость буровых растворов все реагенты можно разделить на три группы: стабилизирующие, структурообразующие и пептизирующие. Углещелочной реагент (УЩР) и торфощелочной реагент (ТЩР) широко применяются для обработки растворов с целью снижения водоотдачи, вязкости, статического напряжения сдвига (СНС) и повышения стабильности. Эти реагенты являются натриевыми солями гуминовых кислот, растворимых в воде. Их можно получить непосредственно на буровой из бурого угля или торфа путем воздействия на них каустической содой. Для этого в определенном лабораторным путем соотношении помещают в глиномешалку дробленый бурый уголь или торф и каустическую соду, добавляют воду, проводят тщательное их перемешивание. Через некоторое время (порядка суток) основная масса растворимых гуминовых кислот перейдет в раствор и прореагирует с каустической содой.
В 1962 г. начато изготовление и применение сухих углещелочных реагентов, полученных аналогичным образом в заводских условиях. Их использование упрощается до простого введения непосредственно в циркулирующую систему или глиномешалку определенного количества реагента.
Сульфит-спиртовая барда (ССБ) является отходом целлюлоз но-бумажного производства и применяется для снижения вязкости, водоотдачи и толщины образуемой глинистой корки.
Эффективным и удобным в транспортировании является конденсированная сульфит-спиртовая барда КССБ, применяемая также для регулирования вязкости, водоотдачи и СНС.
Карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ) является наиболее эффективным реагентом для стабилизации и снижения вязкости буровых растворов, особенно в условиях воздействия агрессивных высокоминерализованных сред (разбуривание пластов солей, внедрение в раствор рассолов, использование сильно минерализованных растворов).
Схема влияния основных химических реагентов, применяемых для обработки буровых растворов, на их свойства, разработанная во Всесоюзном научно-исследовательском институте буровой техники (ВНИИБТ), представлена на рисунке 110.
В условиях высоких температур (на забое глубоких скважин температура окружающих пород может достигать 200°С и более) влияние многих реагентов на параметры раствора снижается. Наиболее устойчивы к температурным воздействиям сульфоэфиры, целлюлоза, КМЦ. Однако стабилизирующее воздействие последней в условиях высоких температур снижается, и ее добавки требуются в больших количествах. Термостойкими реагентами являются УЩР и КССБ, но их применение ограничено пресными растворами. Наибольшую термостойкость растворам придает гипан (гидролизованный полиакрилонитрин), созданный на основе водорастворимых полимеров. Для снижения вязкости при высоких температурах используют соли хроматной кислоты (хроматы и бихроматы калия и натрия). Они наиболее эффективны при температуре более 100°С, когда другие реагенты для снижения вязкости неэффективны.
Регулирование разности пластового и гидростатического давления в системе "скважина-пласт" осуществляется регулированием плотности промывочных жидкостей. Для снижения плотности ниже 1 г/смз используют аэрацию промывочных жидкостей, а для повышения их плотности применяют утяжелители.
Для утяжеления промывочной жидкости в зависимости отвели чины ее плотности, которую требуется получить, использую раз личные материалы. Использование малоколлоидных глин в качестве наполнителей раствора позволяет увеличить его плотность на 0,2-0,3 г/смз. Применение молотого мергеля, мела и известняка способствует увеличению плотности 0,3-0,5 г/см3.
Достижение больших величин плотности бурового раствора возможно при использовании барита, гематита и магнетита.
Барит BaS04 - белый порошок, получаемый из минерального барита или химических отходов. Его плотность колеблется в пределах от 3,5 до 4,2 г/смз. Баритовый утяжелитель менее абразивен, хорошо адсорбируется глинистыми минералами. При его применении можно получить стабильные буровые растворы с плотностью до 2,0-2,5 г/см3.
Гематит и магнетит являются продуктами измельчения соответствующих руд, имеют плотность в пределах 3,8-4,7 г/см3. При использовании в качестве утяжелителя отличаются повышенным абразивным воздействием.
В процессе проводки скважин в буровой раствор поступают разрушенная порода (шлам) и пластовая жидкость. Указанные компоненты влияют на свойства бурового раствора. Например, при разбуривании пластов глин в буровой раствор поступает большое количество глинистых минералов, способных диспергировать и увеличивать вязкость и СНС растворов. Пластовые воды могут быть сильно минерализованы и вызывать коагуляцию бурового раствора.
Для поддержания параметров бурового раствора в требуемых пределах применяют его физико-химическую обработку. Существует два варианта обработки. Первый заключается в разбавлении бурового раствора водой при увеличении его вязкости и СНС. При этом увеличиваются водоотдача и толщина глинистой корки. Для поддержания этих параметров раствор обрабатывают реагентами, снижающими водоотдачу, а плотность раствора регулируют добавлением утяжелителей. Такой вариант прост, но требует большого расхода реагентов и утяжелителя и приводит к наработке излишнего объема раствора. Второй вариант включает механическое удаление шлама и излишков диспергированных частиц твердой фазы с последующей обработкой химическими реагентами и добавлением или регенерацией утяжелителя. Во втором случае объем раствора не увеличивается и резко сокращается расход реагентов и утяжелителя.
Цементный раствор, применяемый для крепления скважин, выполняет следующие функции:
1) разобщение (исключается сообщение) проницаемых горизонтов в скважине;
2) обеспечение механической опоры для обсадной колонны;
3) защита обсадной колонны от коррозии сульфатсодержащими пластовыми водами;
4) укрепление и создание опоры для стенок скважины (совместно с обсадной колонной) для предотвращения обвала пород.
Кроме расходных материалов, при строительстве скважины используют различные конструкционные материалы. Часть этих материалов используют в виде изделий заводского изготовления, а часть применяется при сооружении различных устройств на месте проведения буровых работ и ремонте оборудования. Сюда относятся металлы, пластические массы, древесные материалы, железобетон.
Таблица 2. Рекомендуемые области применения тампонажных цементов
Признаки
|
Состав цемента
|
По температуре применения
|
По средней
плотности
цементного теста
|
По устойчи-
вости к воздействию агрессивных ппастовых вод
|
По объем-
ным дефор-
мациям при схватывании
|
Тампонажные цементы на основе портландцементного клинкера
|
бездобавочные
|
Для нормальных и умеренных температур
|
Нормальное
|
Требования не предъявляются
|
Требования не предъявляются
|
с минеральными добавками
|
То же
|
Облегченное, нормальное и утяжеленное
|
Устойчивы к сульфатным пластовым водам
|
Тоже
|
со специальными добавками
|
Для низких, нормальных и повышенных температур
|
Нормальное
|
То же, при введении соответствующих специальных добавок
|
Тоже
|
с минеральными и специальными добавками
|
Для низких,
нормальных,
повышенных
и умеренно
высоких
температур
|
Облегченное, нормальное, утяжеленное
|
Устойчивы к сульфатным пластовым водам и другим видам агрессии
|
Требования не предъявляются; расширяющиеся безусадочные
|
Тампонажные цементы на основе глиноземистого цемента
|
Для низких и нормальных температур
|
Облегченное, нормальное
|
Требования не предъявляются
|
Расширяющиеся безусадочные
|
Цементы бесклинкерные
|
Для повышенных, высоких, сверхвысоких и циклически меняющихся температур
|
Облегченное, нормальное и утяжеленное
|
Устойчивы к сульфатным пластовым водам
|
Требования не предъявляются
|
|
