Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ современного состояния применения газожидкостных тампонажных смесей с микросферами при креплении скважин в криолитозоне 10
1.1 Анализ и оценка геолого-гидрогеологических условий алмазоносной трубки «Удачная» республики Саха (Якутия) 10
1.2 Анализ и оценка осложнений, возникающих при креплении скважин в криолитозоне и методы их предупреждения 18
1.3 Анализ и оценка применения газожидкостных тампонажных смесей, их рецептур и составов 24
1.4 Анализ и оценка применения полых микросфер в составе тампонажных растворов 33
1.5 Анализ и оценка применения газожидкостных тампонажных смесей с добавлением полых микросфер, их рецептур и составов 40
Выводы по главе 1 45
ГЛАВА 2 Методика теоретических и экспериментальных исследований 47
2.1 Методы оценки композиций разрабатываемых тампонажных составов 47
2.2 Параметры тампонажных смесей и методы их определения 49
2.3 Методика обработки экспериментальных данных 60
2.4 Разработка метода по нахождению состава тампонажных смесей для строительства скважин в условиях криолитозоны 64
Выводы по главе 2 70
ГЛАВА 3 Исследование теплофизических свойств газожидкостных тампонажных смесей с полыми микросферами и определение условий нерастепления мерзлых пород при их использовании 71
3.1 Условия захоронения дренажных вод вблизи трубки «Удачная» 71
3.2 Оценка теплофизических свойств газожидкостных тампонажных смесей для создания надежной теплоизоляции скважин в криолитозоне 74
3.3 Условие нерастепления многолетнемерзлых пород при тампонировании колонн обсадных труб газожидкостными тампонажными смесями с полыми алюмосиликатными микросферами 86
Выводы по главе 3 91
ГЛАВА 4 Исследование технологических свойств газожидкостных тампонажных смесей с полыми алюмосиликатными микросферами и образуемого цементного камня для крепления скважин в криолитозоне 92
4.1 Оценка влияния вводимых полых алюмосиликатных микросфер на технологические свойства аэрированных тампонажных составов 92
4.2 Определение сроков схватывания и выбор вяжущих веществ, входящих в газожидкостные тампонажные смеси с полыми алюмосиликатными микросферами, для условий криолитозоны 95
4.3 Выбор рецептуры газожидкостных тампонажных смесей с полыми алюмосиликатными микросферами для создания теплоизоляционного экрана скважин в интервалах мерзлых пород 105
Выводы по главе 4 116
ГЛАВА 5 Рекомендации по разработке газожидкостных тампонажных смесей с полыми алюмосиликатными микросферами, оценка их технико-экономической эффективности и экологической безопасности 118
5.1 Разработка рецептуры газожидкостных тампонажных смесей с полыми алюмосиликатными микросферами для крепления скважин в интервалах залегания многолетнемерзлых пород 118
5.2 Технико-экономический эффект использования газожидкостных тампонажных смесей с полыми алюмосиликатными микросферами 124
5.3 Экологическая оценка использования газожидкостных тампонажных смесей с полыми алюмосиликатными микросферами 126
Выводы по главе 5 128
Заключение 129
Список литературы 130
- Анализ и оценка применения газожидкостных тампонажных смесей, их рецептур и составов
- Методика обработки экспериментальных данных
- Оценка теплофизических свойств газожидкостных тампонажных смесей для создания надежной теплоизоляции скважин в криолитозоне
- Определение сроков схватывания и выбор вяжущих веществ, входящих в газожидкостные тампонажные смеси с полыми алюмосиликатными микросферами, для условий криолитозоны
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. На сегодняшний день
отработка крупнейших алмазоносных месторождений в Западной
Якутии осложняется переходом на подземный способ добычи с
нижних горизонтов кимберлитовых трубок. При этом часто
наблюдается поступление пластовых вод, представленных
рассолами, в горные выработки. Основной объем дренажных стоков
в последние два десятилетия закачивается через скважины обратно
либо в подмерзлотные водоносные горизонты, либо в толщи
многолетнемерзлых пород. Дренажные воды до полугода имеют
положительную температуру, поэтому их закачивание должно
обеспечиваться надежной теплоизоляцией затрубного пространства
для защиты многолетнемерзлых пород (ММП) от возможного
растепления. Помимо этого некачественная герметизация
затрубного пространства, как правило, влечет за собой рост аварийности в скважине с последующим повышением трудоемкости и материалоемкости.
Сохранение естественного состояния горных пород,
слагающих стенки скважины, качественное и надежное крепление в
условиях криолитозоны представляет серьезную техническую и
технологическую задачу. Многие из используемых на сегодняшний
день методов сохранения естественного состояния ММП (активные
и пассивные методы теплоизоляции) от растепления дороги и не
всегда обеспечивают достаточную теплоизоляцию в скважине.
Сложные климатические и горно-геологические условия
препятствуют созданию эффективной и долговечной крепи.
Разработка новых составов газожидкостных тампонажных смесей (ГЖТС) с включением алюмосиликатных полых микросфер (АСПМ) и их применение, позволяющие решить проблему по строительству эффективных и долговечных скважин для закачки дренажных вод в зонах распространения ММП, является актуальной задачей.
Значительный вклад в развитие вопроса крепления скважин
с применением газожидкостных составов внесли отечественные и
зарубежные исследователи А.В. Амиян, В.А. Амиян,
O.K. Ангелопуло, В.С. Бакшутов, А.И. Булатов, Н.А. Булатов,
В.В. Бондаренко, М.С. Винарский, В.П. Детков, С.С. Джангиров,
В.И. Крылов, Л.В. Макоров, Н.И. Николаев, Ю.Г. Рудоментов,
Н.А. Сидоров, Н.И. Слюсарев, Л.С. Стреленя, В.А. Чугунов,
А.Р. Хисматулин, А.А. Яковлев и др. Изучением тампонажных
составов, содержащие полые микросферы, занимались
Г.А. Белоусов, В.В. Ипполитов, П.В. Овчинников, Д.В. Орешкин,
Г.Н. Первушин, А.А. Фролов и др. Вопросы, связанные с
креплением скважин в криолитозоне, глубоко исследовались в
работах Р.М. Алиева, В.В. Баулина, А.И. Булатова, И.Ю. Быкова,
Р.А. Гасумова, В.С. Данюшевского, А.А. Клюсова, Б.Б. Кудряшова,
А.В. Марамзина, Р.И. Медведского, Д.В. Орешкина,
А.В. Самсоненко, И.В. Самсоненко, И.Ф. Толстых, А.М. Яковлева и др. Тем не менее, в настоящее время практически отсутствуют рекомендации о разработке ГЖТС, включающих в свой состав АСПМ, а их практическое применение в районах с наличием мерзлых пород практически никогда не рассматривалось.
Цель работы. Повышение эффективности крепления скважин в криолитозоне созданием наджного теплоизоляционного экрана.
Идея работы. Использование новых тампонажных составов на основе газожидкостных тампонажных смесей с включением полых микросфер при температурах 0±5С.
Задачи исследования:
-
Теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение целесообразности применения газожидкостных тампонажных смесей для крепления скважин в интервалах криолитозоны.
-
Разработка состава и параметров ГЖТС с полыми микросферами.
-
Проведение экспериментальных исследований свойств ГЖТС с АСПМ и цементного камня с целью обоснования применения предлагаемых тампонажных материалов, рецептур и составов для крепления скважин в криолитозоне и оценки эффективности выбранных цементных составов в качестве пассивной теплозащиты ММП.
-
Установление критерия количественного соотношения компонентного состава ГЖТС с АПМС, определяющего условия нерастепления мерзлых пород.
5. Рекомендации по разработке ГЖТС с АСПМ, оценка их
экологической безопасности и технико-экономической
эффективности.
Методика исследования. Для решения указанных задач
использовались теоретические и экспериментальные методы
исследований. Лабораторные исследования свойств
разрабатываемых составов ГЖТС с микросферами и образуемого на их основе камня выполнялись с учетом отрицательных температур. Для сокращения времени на выполнение экспериментов по изучению свойств разрабатываемых тампонажных смесей был разработан и применн специальный системно-аналитический метод на основе теории сетей и графов.
Научная новизна работы:
Установлено условие нерастепления мерзлых пород,
основанное на определении взаимосвязи физических свойств
(теплофизических и технологических) разработанной
газожидкостной тампонажной смеси с составом и свойствами многолетнемерзлых пород.
Достоверность научных положений, выводов и
рекомендаций подтверждается достаточной сходимостью
расчетных данных с результатами лабораторных исследований, воспроизводимостью полученных данных.
Теоретическая и практическая значимость работы
заключается в разработке метода проведения экспериментов на основе теории сетей и графов, а также адаптация математической модели Б.Б. Кудряшова по определению условий нерастепления ММП для разработанной ГЖТС с АПМС.
2. В качестве практической значимости разработан состав ГЖТС с АПМС; даны рекомендации для повышения качества крепления скважин в криолитозоне с целью создания эффективной теплоизоляции, уменьшения материальных затрат при цементации затрубного пространства, снижения аварийности и увеличения срока службы скважины на Киенгском полигоне захоронения дренажных вод вблизи месторождения трубки «Удачная».
3. Результаты работы использованы при проведении лекционных и практических занятий на кафедре БС Санкт-Петербургского горного университета.
Апробация работы. Основные положения и результаты
исследований докладывались на VIII Международной научно-
практической конференции молодых ученых «Актуальные
проблемы науки и техники-2015» (Уфа, УГНТУ, 2015), на XV и XVI
Международных молодежных научных конференциях
«Севергеоэкотех» (Ухта, УГТУ, 2014, 2015), XII Международной
научно-практической конференции «Новые идеи в науках о Земле»
(Москва, МГРИ-РГГРУ, 2015), XI Всероссийской конференции
Молодых ученых, специалистов и студентов «Новые технологии в
газовой промышленности» (газ, нефть, энергетика) (Москва,
РГУНиГ, 2015), IX Международной научно-технической
конференции «Геология и нефтегазоносность Западно-Сибирского
мегабассейна (опыт, инновации)» (Тюмень, ТюмГНГУ, 2014).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, из них 4 – в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Личный вклад. Разработка и применение системно-
аналитического метода проведения экспериментов, созданного на
основе теории сетей и графов; разработка новых газожидкостных
тампонажных смесей и регламентация их составов для конкретных
геолого-технических условий, разработка методики и оценки
условий нерастепления мерзлых пород при проведении
тампонажных работ с использованием ГЖТС с АСПМ.
Объем и структура диссертационной работы.
Анализ и оценка применения газожидкостных тампонажных смесей, их рецептур и составов
Подземные воды в карьер поступают преимущественно из среднекембрийского и нижнекембрийского водоносных комплексов. Суммарная минерализация поступающих подземных вод на месторождении трубки «Удачной» достигает 360 г/л [2, 4]. Рассолы относятся к хлоридному кальциевому типу и включают повышенные содержание токсичных компонентов, таких как ртуть, мышьяк, кадмий и т.д. [37]. В связи с превышением во много раз этими элементами, содержащимися в подземных водах, предельно допустимых концентраций недопустим их сброс в поверхностные источники.
Начало геологоразведочных работ по поиску благоприятных структур для закачки дренажных вод карьера «Удачный» в водоносные толщи было положено Амакинской и Мирнинской экспедициями еще в 80-е годы прошлого столетия на прилегающих к месторождению площадях. Несколько позднее по результатам выполненных исследований были рекомендованы для закачки рассолов в ММП выделенные участки Октябрьский, Киенгский, Левобережный и другие [29, 37].
ММП в районе трубки «Удачная» представлены карбонатно-глинистыми отложениями моркокинской, реже мархинской свит, а на участке Киенгский еще и породами онхойюряхской свиты и верхней пачки олдондинской свиты нижнего ордовика [9].
Мощность ММП непосредственно связанна с рельефом при учете тектонических факторов. В районе месторождения трубки «Удачная» она колеблется в пределах от 146 до 223 м, в районе участка Октябрьский – от 206 до 320 м, в районе участка Киенгский – от 100 до 285 м [9].
Размеры Октябрьского участка составляют 57 км. ММП на участке сложены терригенно-карбонатной толщей, в которой выделяются четыре пачки пород. В интервале от 0 до 110 м (от +440 до +330 м в абс. отм.) наибольшее распространение получили известняки и доломиты с толсто-плитчатой структурой, разобщенные маломощными прослоями мергелей, и разбитые густой сетью трещин. Зоны тектонического дробления отличаются сильной трещиноватостью и льдонасыщенностью, местами породы представлены щебнем, который сцементирован льдом. Объемное содержание льда не превосходит 10 %, а в верхней части мощностью около 10 м доходит 20-30 %. В интервале от 110 до 160 м (+330-+280 м) геологический разрез составлен тонкоплитчатыми массивными доломитами с прослоями мелкозернистых известняков и мергелей. На глубинах от 160 до 240 м (+280 4- +200 м) залегает третья пачка, которую слагают мергели с тонкими прослоями известняков (1-2 м), реже среднезернистых доломитов. Во второй и третьей пачках пород также имеется трещины, однако льдистость здесь по сравнению верхней частью разреза существенно ниже и составляет от 2-3 до 5 %. Четвертая пачка пород включает терригенно-карбонатные образования, вскрытые ниже отметок 240 м (+200 м) и характеризующиеся равномерным чередованием с тонкими прослойками мергелей и карбонатных пород вплоть до кровли водоносного комплекса. В этой пачке пород в отличие от предыдущих более высокая глинистость, меньшая трещиноватость и практически полное отсутствие льда [2].
Из таблицы видно, что проницаемые слои приурочены главным образом к первой и второй пачкам ММП, которые связаны с известняками и доломитами, отделенными друг от друга водоупорными глинистыми известняками и мергелями. Их мощность возрастает от первых метров в первой пачке до 3-10 м и 10-30 м в последующих пачках. Из-за понижения трещиноватости ММП и их литологического строения частота встречаемости проницаемых слоев на глубинах 100-150 м резко уменьшается [1]. Для закачки рассолов, поступающих в горные выработки трубки «Удачной», на Киенгском полигоне к 2011 г. пробурено 12 водопоглощающих скважин глубиной по 280 м и 71 наблюдательных скважин глубиной 102-300 м, из которых 36 на ММП, 35 на подмерзлотный водоносный комплекс [37].
В зависимости от геоморфологического, структурно-тектонического и литологического признаков, а также фильтрационных параметров и особенностей формирования трещиноватости и льдистости в пределах Киенгского участка выделяют центральную и периферийную части [9].
Расположенная на водоразделе центральная часть имеет максимальную мощность ММП, приемистость и фильтрационные параметры первого подмерзлотного горизонта. Именно здесь в мерзлых породах выделена основная поглощающая толща в интервале от +210 до +290 м с трещиноватостью 2-7 трещин на 1 п.м. и льдистостью 2-10 %. Вышележащие породы (абс. отметки +290 -г- +470 м) имеют более высокую трещиноватость (8-15%), но при этом трещины практически целиком заполнены льдом (общей льдистостью до 25 %). Приемистость скважин в интервале коллектора (+210 -г- +290 м абс.) составляет от 177 до 1440 м3/сут [9].
В отличие от центральной, периферийная часть характеризуется более низкой трещиноватостью и, следовательно, пониженными значениями приемистости. При увеличении глубины количество трещин снижается. Так, до глубины 70 м на 1 п.м. приходится от 2 до 5 трещин, а в интервале от +280 до +160 м они практически полностью отсутствуют. Приемистость изменяется в границах основного прогнозного интервала в широких пределах и составляет от 0,2 до 177,0 м3/сут [9].
Верхняя пачка олдондинской свиты представлена алевритистыми и известковистыми доломитами, разделенными маломощными прослоями глинистых известняков и доломитов, плоскогалечных конгломератов, строматолитовых известняков и доломитов. Кроме того, наблюдаются единичные прослои известковых песчаников и мергелей с прожилками гипса. Вскрытая мощность пачки в районе полигона Киенгский составляет до 32 м [9].
Методика обработки экспериментальных данных
Газожидкостные тампонажные смеси (ГЖТС) начали использовать для крепления скважин с 1979 года [95]. Они характеризуются пористой структурой, и их плотность может доходить до 360 кг/м3.
Технология тампонирования скважин с помощью ГЖТС практически не отличается от традиционной. Меняются лишь свойства применяемого тампонажного материала [95]. Однако, для их создания требуются дополнительные оборудование и знания рабочего персонала по приготовлению и креплению скважин данными смесями.
ГЖТС обладают лучшей закупоривающей (кольматирующей) способностью [90, 99]; обеспечивают в затрубном пространстве оптимальное гидростатическое давление, с одной стороны предотвращающее поступление в скважину пластовых вод, а с другой - предупреждающие гидроразрыв пласта [103]; имеют низкую теплопроводность (0,25-0,7 Вт/(мС)) и термостойкость [104], водо- и газопроницаемость [95]. Возможность этих растворов расширяться способствует лучшей изоляции зон поглощений [61]. Получаемый тампонажный камень обладает достаточно хорошей прочностью и стойкостью в затрубном пространстве [59, 103] и способен качественно связываться с горными породами и колонной обсадных труб [93, 103]. При ликвидации зон поглощений с использованием ГЖТС большое значение имеет их малая плотность и относительно высокая прочность [59, 70, 95, 103, 104].
Понижение плотности тампонажного раствора путем аэрирования цементной смеси обеспечивает снижение депрессии на слабые пласты, что обуславливает возможность перехода от двухступенчатого к одноступенчатому цементированию и позволяет сократить сроки строительства скважины [93]. Применение ГЖТС в отличие от многоступенчатого способа тампонирования затрубного пространства в скважине обычными тампонажными растворами позволили повысить эффективность работ на 10-12% [95].
Проведенные многочисленные опыты [20] показали существенное значение газовой фазы в тиксотропии тампонажных растворов, благодаря которой в ГЖТС водоотдача и водоотстой снижаются до нуля.
Отсутствие в ГЖТС несвязанной воды, выделяющейся в период схватывания цементной смеси и приводящей к возникновению межпластовых перетоков и газовой миграции [78, 93], имеет важное значение для скважин с большим значением зенитного угла и горизонтальных скважин [91, 93], а также при креплении скважин в зонах ММП [40, 50 и др.].
Значение водоцементного отношения имеет большое значение для седиментационной устойчивости тампонажной смеси и прочностных характеристик образуемого цементного камня при креплении скважин в криолитозоне. Кучерюк В.И. и Колобов П.В. [44] на основании проведенных исследований заключили, что при повышении водоцементного отношения от 0,6 до 0,9 и при дальнейшем замерзании тампонажного раствора растет интенсивность образования ледяных прожилок (от 0,68 до 28,3 мм2 на 1 см2 образца). Данные, полученные Кузнецовым В.Г., указывают на то, что водоцементное отношение ниже 0,6 и полная гидратация вяжущих веществ позволяют получить структуру цементного камня без наличия в нем льда [42].
Анализ, сделанный Бакировым Д.Л., Бурдыгой В.А. и др., показывает, что у большинства известных тампонажных растворов с введенными облегчающими добавками водоцементное отношение больше 0,6. Таким образом, это ограничивает их использование при креплении скважин в зоне распространения ММП [73].
Наряду с этим, тампонажные смеси, в составе которых содержатся пузырьки газа, могут обходиться малым объемом жидкости, поэтому они больше подходят для тампонирования интервалов ММП. Помимо этого, важное значение имеет свойство ГЖТС, заключающееся в отсутствии свободной воды, выделяющейся в процессе схватывания цемента и ведущей к возникновению межпластовых перетоков и миграции газа [93]. Структура ГЖТС обладает более высокими реологическими характеристиками по сравнению с обычными тампонажными смесями и при цементировании способствует лучшему выносу находящегося в скважине бурового раствора [93].
Цементный камень, сформированный из ГЖТС, в сравнении с обычным тампонажным камнем имеет лучшие механические свойства в связи с большей эластичностью, сжимаемостью и устойчивостью к возникающим переменным нагрузкам. Возникновение разрушения камня в связи с температурными колебаниями и циклическими нагрузками при изменении гидростатического давления в скважине можно предотвратить с помощью применения ГЖТС, имеющих пористую структуру, что позволяет не допустить развитие трещин по всему камню [93]. Данное свойство способствует снижению рисков возникновения осложнений и аварий, что повышает сроки службы скважин. В работе [19] отмечается, что обычный цементный камень способен выдерживать от 2 до 10 циклов релаксации напряжений, а пеноцементный камень может допускать до 100 циклов. Образуемые тампонажные камни на основе газожидкостных тампонажных составов обладают пластичностью на порядок превышающей пластичность камней, получаемых из неарированных цементных растворов [19, 102].
При переходе воды из жидкого состояния в твердое в процессе е замерзания происходит расширение приблизительно на 9 % [45]. Если она содержится в порах тампонажного камня, то могут возникнуть значительные давления, способные вызвать разрушение цементного каркаса. Деструкция структуры камня возрастает при повторении циклов замерзания-оттаивания, что, в конечном счете, может явиться причиной смятия колонны обсадных труб. Максимальной морозостойкостью характеризуется либо плотный водонепроницаемый, либо пористый цементный камень, а минимальной – водопроницаемый камень [45, 74, 83]. Сформировавшиеся в структуре тампонажного камня кристаллы льда неуклонно растут сообразно с поступлением к ним капиллярной воды. При наличии пор в объеме камня, образуемого ГЖТС, снимается создаваемое льдом чрезмерное давление, что, в свою очередь, обеспечивает сохранение крепи скважины от разрушения. При строительстве скважин с использованием ГЖТС сцепление тампонажного камня с колонной обсадных труб и горными породами имеет частичный и сплошной характер. Тем не менее, обеспечивается надежная герметизация скважины от перетоков пластовых флюидов [93].
ГЖТС вопреки низкой растекаемости имеет достаточно хорошую прокачиваемость насосом, что связано с особенностью аэрированных смесей сжиматься и расширяться в процессе циркуляции. Это свойство позволяет ГЖТС при заполнении определенного пространства (поры, трещины) менять свою форму без нарушения стабильности. Достигается это только при значении объемного газосодержания ГЖТС в границах от 0,7 до 0,8. В этом случае создаются условия для получения цементного камня со значительной адгезией [95].
Применение ГЖТС позволяет повысить качество крепления скважин, увеличить межремонтный период их эксплуатации, производить цементирование в условиях поглощений и при наличии газовых пластов без удорожания стоимости цементирования, а также существенно снизить стоимость при больших объемах цемента [93]. ГЖТС является многофазной системой, включающей в себя не менее четырех компонентов: тампонажный материал, жидкость, содержащая определенное количество поверхностно-активного вещества – диспергатора (пенообразователя), и газ.
В качестве тампонажного материала в растворах наиболее широко используется портландцемент различных марок.
От содержания веществ-пенообразоватей зависит как устойчивость ГЖТС, так и качество самого облегченного тампонажного материала [6, 10, 59]. Способность растворов вовлекать газовую фазу определятся особыми свойствами пенообразующих добавок, которые представлены поверхностно-активными веществами (ПАВ). Помимо влияния на седиментационную устойчивость ГЖТС добавка ПАВ предотвращает коалесценцию пузырьков газа, способствует их удержанию в потоке в связи с уменьшением скорости движения пузырьков относительно общего потока смеси в скважине [20]. Необходимо учитывать, что при недостаточном вовлечении газовой фазы (при незначительном содержании пенообразователя) не достигается необходимая плотность состава, а при повышенном газо-, воздухововлечении, связанном с высокой концентрацией ПАВ, могут значительно повышаться сроки схватывания и темпы твердения тампонажной системы, разрушаться каркас ГЖТС и существенно ухудшаться свойства тампонажного материала, включая значительное проседание смеси.
Оценка теплофизических свойств газожидкостных тампонажных смесей для создания надежной теплоизоляции скважин в криолитозоне
Месторождение алмазов трубки «Удачная» находится в Далдыно-Алакитском алмазоносном районе, для которого характерно сплошное распространение ММП с непрерывной криогенной толщей (максимальная ее мощность достигает 1500 м) и достаточно низкие значения температур (до -16С) [25]. В мерзлотно-геотермическом отношении данный район отличается аномальностью и выходит за рамки географической зональности. Так, на глубине 2000 м температура пород не превосходит 14–16С, а температурный градиент в интервале 900–1400 м равен 0,9С/100 м [26].
На эксплуатируемых полигонах для закачки дренажных вод температурный режим изменяется в зависимости как от природных (теплофизических, емкостных и прочих свойств горных пород) и технологических (закачиваемые объемы дренажных вод, интенсивность их сброса и т.д.) факторов. Было выявлено, что внутренняя температура водопоглощающей криогенной толщи устанавливается в соответствии с режимом водосброса и носит сезонноцикличный характер. При более глобальном рассмотрении данного вопроса можно отметить, что температурные изменения подземных вод и вмещающих горных пород под действием техногенных факторов могут быть отнесены к тепловому изменению естественного состояния крио- и гидросферы [24, 79].
В таблице 3.1 приведены характеристики криолитозоны на полигонах по закачке дренажных вод. Таблица 3.1 – Характеристики криолитозоны на различных формах рельефа, приуроченных к полигонам захоронения вблизи трубки «Удачной» [24] Наименование полигона Положение в рельефе Основной диапазон температур, С Показатели по подмерзлотному водоносному горизонту Дренажные воды закачиваются в пласты непосредственно через колонну обсадных труб. Конструкции скважин по закачке рассолов на месторождении трубки «Удачная» (полигон Правый Киенг, Октябрьский и Левобережный) однотипны.
С целью предотвращения протаивания мерзлых пород, при проектировании технологии тампонажных работ в криолитозоне немаловажно знать допустимые значения входных параметров. Для дальнейших расчетов по определению условия нерастепления ММП при тампонировании колонн обсадных труб ГЖТС с АСПМ выбран полигон закачки дренажных вод Правый Киенг, где поглощающие горизонты сложены известняками и мергелями. Типовая конструкция закачных скважин на данном полигоне представлена в таблице 3.2.
Теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность и объемный вес мерзлых пород зависят от содержания в них ледяных включений и могут быть, соответственно, рассчитаны по нижеприведенным формулам [76]: С.=С«±Сйд,=(1-, Ж+Л,a„ = -,л = 0, (1+п) , (3.1) 1 + 77 С1X06 0,9 + WCK где Сск - удельная теплоемкость минерального скелета пород, Дж/(кгС); Сл -удельная теплоемкость льда, Дж/(кгС); ц - объемная льдистость грунта за счет ледяных включений в долях единицы; Аск - коэффициент теплопроводности минерального скелета пород, Вт/(мС); Ал - коэффициент теплопроводности льда, Вт/(мС); уск - удельный вес минерального скелета пород, г/см3. Зависимости теплоемкости и теплопроводности ММП от теплофизических свойств минерального скелета пород и процентного содержания льда представлены на рисунке 3.1. Зависимость удельной теплоемкости ММП от теплоемкости минерального скелета пород и льдистости Зависимость теплопроводности ММП от теплопроводности минерального скелета пород и льдистости Значения теплоемкости и теплопроводности мерзлых пород возрастают при повышении льдистости в том случае, когда соответствующие теплофизические характеристики минерального скелета пород, слагающих ММП, не превышают аналогичные значения для льда.
На рисунке 3.2 изображены зависимости значений объемного веса и температуропроводности пород от содержания в них льда. В расчетах удельный вес известняка принимался равным 2,65 г/см3, а мергелей – 2,2 г/см3 [89], теплоемкость и теплопроводность минерального скелета пород были выбраны соответственно 2 Вт/(мС) и 1,5 Дж/(кгС). Зависимость объемного веса пород от содержания льда
Таким образом, на основании проведенного анализа и выполненных расчетов были определены теплофизические характеристики ММП, расположенных в верхней части разреза полигона по захоронению подземных вод Правый Киенг. На данном участке мерзлые породы преимущественно сложены известняками и мергелями, содержание льда в них достигает 30 %. Средняя температура пород здесь колеблется от -4С до -1,3С. При последующих расчтах диаметр скважин по закачке рассолов равнялся 0,172 м, что соответствует их реальным размерам в интервале глубин 10,0-118,0 м на полигоне Правый Киенг.
Использование ГЖТС при креплении скважин в ММП способствует созданию пассивной теплоизоляции затрубного пространства, препятствующей движению теплового потока от скважины к мерзлым породам [53].
Ввиду невысоких значений плотности и наличия полых ячеек, заполненных газом, ГЖТС и получаемый на их основе цементный камень обладают более низкими значениями теплопроводности, нежели обычные тампонажные растворы [95]. Для придания большей прочности формируемому аэрированному тампонажному камню было предложено в состав ГЖТС вводить полые алюмосиликатные микросферы.
Для новых разрабатываемых тампонажных составов проведена оценка их теплофизических свойств, которая включала определение коэффициентов удельной теплоемкости, удельной теплопроводности и температуропроводности как для ГЖТС, так и для формируемого на их основе аэрированного цементного камня (АЦК).
Определение сроков схватывания и выбор вяжущих веществ, входящих в газожидкостные тампонажные смеси с полыми алюмосиликатными микросферами, для условий криолитозоны
Выбор различных реагентов, вводимых в тампонажную смесь, и других компонентов ГЖТС необходимо осуществлять, руководствуясь проектируемыми технологическими операциями и условиями их проведения (температура, давление) при комплексном учете всех основных параметров выбираемых смесей.
После отработки рецептуры в лаборатории рассчитывают компонентный состав ГЖТС для испытаний на буровой.
Плотность является наиболее значимым показателем качества тампонажного состава. Для исходного тампонажного раствора при заданном содержании воды плотность определяют по следующей формуле: рцр = т ж \ (5.1) рт-рж-(\ + т) рж+т- рт где т - водотвердое отношение; рт - плотность сухой твердой фазы, кг/м3 (порошок цемента + АСПМ + твердые наполнители); рж - плотность жидкости затворения, кг/м3. Плотность сухой твердой фазы для тампонажной смеси вычисляется по формуле: ац + пмрм +Пір\+ w9p9 +... + Пири где р\ - плотность цементного порошка, кг/м3; рм /?ь / , р\ - плотность соответственно микросфер, первой, второй, k-й твердой добавки в тампонажном растворе, кг/м3; Пм, Щ, Щ, % - отношение массы соответственно микросфер, первой, второй, к-й твердой добавки к массе цементного порошка в единице объема раствора. Масса твердой фазы для приготовления единицы объема раствора равна: Масса цементного порошка для приготовления единицы объема раствора определяется из следующего выражения: тц= . (5.4) \ + nм+nl+n2+... + nk Для ГЖТС с АСПМ плотность находится следующим образом: Лм = , (5.5) Ргжс + т Рт где Ажс, - плотность газожидкостной смеси, кг/м3. Плотность газожидкостной смеси определяется из уравнения: 1-а а-рг Ргжс 1 + а Рж+ 1 + а (56) где рг, - плотность газа, кг/м3; – степень аэрации, вычисляемая по формуле: = г , (5.7) где Уг иж - объем газа и жидкости затворения, м3. Степень аэрации для ГЖТС с добавкой АСПМ находится по следующей формуле: а = \±ж.(к_1 /5.8) т- рт где к - кратность ГЖТС с АСПМ, равная отношению объемов тампонажной смеси после и до аэрации при атмосферных условиях: к = гм , (5 9) где 1Угм и 1Кцр - сумма объемов компонентов, входящих в состав тампонажной смеси после и до аэрации, м .
Увеличение газовой фазы в тампонажном растворе позволяет снизить затраты, связанные с уменьшением материалов на приготовление цементной смеси. Снижение массы и стоимости для ГЖТС с АСПМ в зависимости от кратности смеси можно выразить следующими формулами: тгм=тцр/к, (5.10) Сгм=Сцр/к, (5.11) где тгм и тцр - масса смеси соответственно после и до аэрации, кг; Сгм и Сцр -стоимость смеси после и до аэрации, руб; - кратность смеси.
Так как в формуле для расчета стоимости смеси после аэрации не учитывается стоимость газа, предполагается, что в качестве газовой фазы будут использоваться воздух или выхлопные газы. Кроме того, при проектировании тампонажных работ необходимо учитывать изменение степени газирования смеси с глубиной [39]: где 2о, Qц - объемный расход соответственно газа (воздуха) при нормальных условиях, и цементного раствора, м3/с; ргм и / цр - плотность смеси соответственно после и до аэрации, кг/ м3; g - ускорение свободного падения, м/с2; L - глубина, м; р0 - атмосферное давление, Па; z - осредненный коэффициент сверхсжимаемости газа; R - газовая постоянная, для воздуха і?=29,27 м/К; т -осредненная температура ствола скважины, К; р0 - плотность газа в нормальных условиях, кг/м3.
В то же время, Детков В.П. и Хисматулин А.Р. [20] утверждают, что до сих пор отсутствует единый взгляд на изменение плотности аэрированной суспензии с глубиной. На основании проведенных исследований ими было установлено существенное расхождение между теоретическими и экспериментальными данными (рисунок 5.1).
Зависимость плотности аэрированного цементного камня от давления твердения раствора В дальнейшем планируется также изучить данную зависимость плотности аэрированной тампонажной смеси от давления. По нижеприведенным формулам определяется расход материалов для приготовления всего объема неаэрированного тампонажного раствора: - цементного порошка, кг: Ц = кцр-тц-Гц; (5.13) - полых микросфер (первой, второй, k-й твердой добавки), кг: М м(lU)=«м(Uk)-Ц; (5.14) - жидкости затворения, м3: Vж п-(Ц+Мм+М1+М2 + ...+Мк) (5.15) Кр Рж где кцр - коэффициент резерва при цементировании, учитывающий потери сухой твердой фазы при загрузке смесительных машин и приготовлении цементного раствора, Лцр = 1,051,1.
Число цементно-смесительных машин, необходимое для приготовления требуемого объема цемента, находится по формуле: Приготовление ГЖТС осуществляется на буровой непосредственно перед цементированием обсадной колонны. Для этого используют сухие смеси, изготовленные на буровой или на цементных заводах (рисунок 5.2). I I т 7 I, II, V – цементирование по схеме цементный раствор с ПАВ + воздух; III, IV – цементирование по схеме цементный раствор + пена; 1 – тампонажный цемент или тампонажная смесь; 1 – сухая тампонажная смесь, приготовленная в заводских условиях (Пенотам и др.), 2 – жидкость затворения; 3 – водный раствор жидкого стабилизатора; 4 – твердый стабилизатор; 5 – другие добавки; 6 – гидравлический диспергатор; 7 – газификационная установка; 8 – цементировочная головка; 9 – блок-манифольд. Помимо указанных схем, приведенных на рисунке 5.2, по приготовлению ГЖТС при проведении тампонажных работ предлагается иная схема, структура которой представлена на рисунке 5.3.