Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современного состояния способов и средств повышения качества цементирования обсадных колонн нефтяных скважин 10
1.1 Анализ причин низкого качества крепления скважин 10
1.2 Способы повышения качества крепления скважин 19
1.3 Анализ необходимой величины и динамики расширения тампонажного камня 28
1.4 Анализ механизмов расширения и расширяющих добавок для тампонажных составов 30
1.5 Постановка цели и задач исследования. Выводы по главе 1 35
Глава 2. Обоснование требований к тампонажным составам для цементирования обсадных колонн. Методы исследований . 37
2.1 Идентификация разреза. Взаимосвязь параметров тампонажных растворов и цементного камня с геолого-техническими условиями строительства скважины 37
2.2 Основные требования, предъявляемые к тампонажным составам 38
2.3 Методы исследований
2.3.1 Методика определения свойств тампонажных растворов и цементного камня 41
2.3.2 Методика определения объемных деформаций цементного камня 45
2.3.3 Методика определения плотности контакта цементного камня 47
2.4 Планирование эксперимента и обработка результатов исследований 48
Выводы по главе 2 52
Глава 3. Экспериментальные исследования влияния расширяющих добавок на деформацию цементного камня 54
3.1 Исследование методов регулирования динамики гидратации оксида кальция. 54
3.2 Исследование совместного влияния оксида кальция и ингибиторов его гидратации на динамику деформации цементного камня. 62
3.3 Исследование влияния двухкальциевого феррита на динамику деформации цементного камня. 70
3.4 Исследование влияния золы и шлака на динамику деформации цементного камня . 74
3.5 Математическое моделирование процесса расширения цементного камня. Выводы по главе 3 91
Глава 4. Разработка расширяющихся тампонажных составов и исследование влияния модифицирующих добавок на свойства тампонажного раствора и камня 92
4.1 Исследование влияния реагентов-понизителей водоотдачи на свойства тампонажного раствора. 92
4.2 Исследование влияния реагентов-пластификаторов на свойства тампонажного раствора. 98
4.3 Исследование влияния расширяющих добавок на технологические свойства тампонажного раствора и цементного камня 103
4.4 Разработка расширяющегося тампонажного состава 108
Выводы по главе 4 115
Глава 5. Оценка результатов опытно-производственного внедрения разработанных тампонажных составов. 116
5.1 Особенности геологического строения месторождения Шагырлы-Шомышты 116
5.2 Проведение опытных работ по цементированию обсадных колонн 119
Выводы по главе 5 124
Заключение 125
Список литературы 127
- Способы повышения качества крепления скважин
- Основные требования, предъявляемые к тампонажным составам
- Исследование влияния золы и шлака на динамику деформации цементного камня
- Исследование влияния расширяющих добавок на технологические свойства тампонажного раствора и цементного камня
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Состояние цементного
кольца за обсадной колонной напрямую влияет на герметичность
разобщения продуктивных и водоносных горизонтов между собой и
изоляцию обсадных колонн от негативного влияния пластовых
флюидов. Низкое качество крепи скважины может привести к
возникновению межколонных давлений, появлению грифонов,
межпластовым перетокам и преждевременному обводнению пласта.
На сегодняшний день в мире в добываемой скважинной продукции попутная вода составляет две трети, а нефть только одну треть, что обуславливает необходимость дополнительных затрат на эксплуатацию скважины и утилизацию пластовой воды.
Исследованиями и научной работой в направлении
цементирования обсадных колонн и разработки расширяющихся тампонажных составов занимались следующие ученые: Ф.А. Агзамов, М.О. Ашрафьян, Д.Л. Бакиров, А.И. Булатов, Х.В. Газизов, В.Г. Григулецкий, В.С. Данюшевский, В.В Живаева, И.Н. Каримов, Н.И. Крысин, В.Г. Кузнецов, Ю.С. Кузнецов, А.Х. Мирзаджанзаде, Н.И. Николаев, Д.Ф. Новохатский, В.И. Петреску, С.А. Рябоконь, А.В. Самсоненко, И.Ф. Толстых, Б.Н. Хахаев, З.З. Шарафутдинов, J.B. Clark, R.J. Crook, G.C. Howard., S.R. Keller и другие.
Плотность контакта цементного камня с обсадной колонной и горными породами в значительной степени зависит от его объемных изменений в процессе твердения.
С целью повышения эксплуатационных характеристик
тампонажных составов производят их модифицирование
минеральными и полимерными добавками, среди которых важную роль играют расширяющие.
Объемное расширение цементного камня значительно повышает
герметичность контакта цементного камня с сопредельными средами.
При этом необходимо учитывать влияние расширяющей добавки на
реологические свойства раствора с целью обеспечения его нормальной
прокачиваемости по стволу скважины и минимизации
гидродинамической составляющей давления, что особенно актуально при наличии в разрезе пластов, склонных к поглощениям и гидроразрыву.
Из вышеизложенного следует, что задача создания
высокоподвижных, стабильных расширяющихся тампонажных
составов, обеспечивающих надежное разобщение пластов в диапазоне нормальных и умеренных пластовых температур, представляется весьма актуальной.
Целью работы. повышение качества цементирования обсадных колонн в условиях нормальных и умеренных температур.
Идея работы. Разработка составов расширяющихся и
безусадочных тампонажных составов, обеспечивающих плотный контакт цементного камня с обсадной колонной и горными породами.
Задачи исследования:
-
Анализ и обобщение современного состояния проблемы цементирования обсадных колонн нефтяных скважин.
-
Анализ механизмов расширения тампонажных составов на основе портландцементов.
-
Исследование влияния расширяющих добавок на технологические свойства тампонажного раствора и камня.
-
Выбор и обоснование модифицирующих добавок для тампонажных растворов с оценкой их влияния на технологические свойства тампонажного раствора и камня.
-
Разработка расширяющихся тампонажных составов с регулируемыми технологическими свойствами.
-
Разработка рекомендаций по применению и внедрение разработанных расширяющихся тампонажных составов при цементировании обсадных колонн нефтяных скважин в условиях нормальных и умеренных температур.
Методика исследования. Решение поставленных в работе задач
основано на изучении и обобщении опыта исследований и
практического применения расширяющихся тампонажных растворов
при креплении скважин, результатах теоретических, лабораторных и
стендовых испытаний с использованием современных методик,
приборов и установок на базе Пермского национального
исследовательского политехнического университета, рационального планирования экспериментов и математических методов обработки полученных результатов.
Научная новизна работы состоит в установлении зависимости скорости и величины расширения цементного камня от температурных условий, концентрации расширяющей добавки и ингибиторов реакции гидратации оксида кальция, а также в определении зависимости структурно-реологических и механических свойств тампонажных
растворов и камня от состава и химической природы входящих в них компонентов.
Защищаемые научные положения:
-
Для условий нормальных температур (20–50 С) эффективными являются расширяющие добавки на основе оксида кальция с лигносульфонатами или силикатами натрия, для условий умеренных температур (50–80 С) – на основе феррита и оксида кальция, обеспечивающие линейное расширение цементного камня в пределах 0,2–22 % при концентрации расширяющей добавки 3–8 %.
-
Повышение герметичности крепи скважины обеспечивается применением стабилизированного тампонажного раствора на основе ПЦТ-I-G-CC1, содержащего расширяющую добавку и модифицирующие реагенты, которые повышают изоляционные характеристики за счет эффекта расширения (до 8 %), повышенной адгезии (до 1,8 раза) и низкой водоотдачи (до 35 см3/30 мин).
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций
определяется современным уровнем аналитических и
экспериментальных исследований, воспроизводимостью полученных экспериментальных данных и результатов промысловых испытаний.
Практическая значимость работы:
-
Определены компоненты-ингибиторы для регулирования сроков реакции гидратации оксида кальция.
-
Разработаны расширяющиеся тампонажные составы с регулируемыми технологическими свойствами для крепления скважин в условиях нормальных и умеренных температур.
-
Разработанные тампонажные составы использованы при цементировании обсадных колонн.
Апробация работы. Основные положения, результаты
теоретических и экспериментальных исследований, выводы и рекомендации докладывались на XIX Международном научном симпозиуме студентов и молодых ученых им. акад. М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» Томского политехнического университета (Томск, 2015); на международной молодежной научной конференции «Нефть и газ – 2015» Российского государственного университета нефти и газа им. И.М. Губкина (Москва, 2015); на Международной научно-практической конференции «Ашировские чтения» Самарского государственного технического университета (2015, 2014).
Реализация результатов исследований и разработок.
Использованы при выполнении прикладных научных исследований в рамках реализации федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы» (Соглашение 14.577.21.0143, RFMEFI57714X0143).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 6 статей в журналах, входящих в перечень ведущих журналов и изданий, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России.
Личный вклад. Выполнен анализ современного состояния науки
и техники в области крепления скважин, а также применяемых
материалов и реагентов и их влияния на свойства тампонажного
раствора и цементного камня; сформулированы цель, задачи
исследований и научные положения; определены эффективные
замедлители реакции гидратации оксида кальция; экспериментально
выявлены пластифицирующие и водоудерживающие добавки,
обеспечивающие требуемые структурно-реологические и
фильтрационные параметры тампонажного раствора; разработаны стабилизированные расширяющиеся тампонажные составы для цементирования обсадных колонн нефтяных скважин в условиях нормальных и умеренных температур; сформулированы выводы.
Структура и объем диссертационной работы.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и
рекомендаций, библиографического списка, включающего 142
наименования. Материал диссертации изложен на 145 стр., включает 40 таблиц, 46 рисунков и 1 приложение.
Способы повышения качества крепления скважин
Должное внимание следует уделять водоудерживающим свойствам тампонажного раствора – водоотдаче. Чем большее количество воды затворения потеряет раствор, тем больше будет усадка цементного камня. Для минимизации величины усадки цементного камня и максимального сохранения фильтрационно-емкостных свойств продуктивных пластов водоотдача тампонажного раствора должна быть в пределах от 80 до 100 см3 за 30 мин при перепаде давления 6,89 МПа.
Седиментационная устойчивость тампонажного раствора определяет его склонность к расслоению. В результате низкой седиментационной устойчивости повышается каналообразование, образуются водяные пояса и оторочки в цементном кольце. Водоотделение, характеризующее устойчивость раствора к расслоению, должно быть в пределах от 0 до 2 см3 за 2 ч пребывания цемента в статическом состоянии.
Прочностные характеристики цементного камня должны быть достаточными для восприятия нагрузок и напряжений, возникающих при строительстве, эксплуатации и ремонте скважины. Значения прочности цементного камня на изгиб и сжатие нормированы ГОСТом [40, 137].
Цементный камень при внешней сплошности всегда является пористым. В свою очередь, пористость определяет проницаемость камня. Высокая проницаемость является не только причиной заколонных перетоков, но и ускоренной коррозии цементного камня. Исходя из опыта и исследований следует стремиться к формированию цементного камня с проницаемостью не более 410-3 мкм2.
Для создания герметичной прочной крепи и обеспечения максимального сохранения фильтрационно-емкостных свойств пласта необходимо предъявлять к тампонажным материалам специфические технические требования: - иметь регулируемые сроки загустевания и схватывания; - обеспечивать быстрый набор прочности в скважинных термобарических условиях; - иметь минимально необходимое водоцементное отношение; - сохранять подвижность и прокачиваемость при движении по стволу скважины и высокую динамику схватывания при нахождении в статичном состоянии в затрубном пространстве; - обладать высокой стабильностью, исключающей процессы водоотделения и седиментации; - обладать минимальными усадочными деформациями с целью обеспечения плотного контакта с сопредельными средами; - цементный камень должен выдерживать циклические изменения температуры, не разрушаясь; - цементный камень должен способствовать повышению прочности конструкции скважины; - цементный камень должен надежно разобщать вскрытые бурением пласты; - цементный камень должен надежно защищать обсадные трубы от агрессивного воздействия пластовых флюидов; - цементное кольцо должно обеспечивать удержание обсадной колонны от перемещений, проседания под действием собственного веса, температурных деформаций, деформаций вследствие возникновения перепадов давления в колонне, ударных нагрузок, вращений и т.д; - иметь технологические свойства регулируемые в широком диапазоне горно-геологических условий. - тампонажный раствор должен обладать высокой прокачиваемостью от момента затворения до момента окончания процесса цементирования; - тампонажный раствор в процессе смены агрегатного состояния должен исключать прорывы пластовых флюидов в затрубное пространство; - цементный камень должен обладать минимальной проницаемостью, исключающей фильтрацию пластовых флюидов через цементное кольцо; - цементный камень, образующийся из цементного раствора, должен быть устойчив к агрессивным пластовым флюидам; - контакт цементного камня с сопредельными средами не должен терять герметичности под действием знакопеременных нагрузок и температурных перепадов.
К технологическим свойствам тампонажного раствора относятся: - реологические параметры; - плотность; - растекаемость; - показатель фильтрации; - водоотделение; - сроки загустевания и схватывания; - механическая прочность тампонажного камня; - проницаемость тампонажного камня. Кроме того, тампонажный раствор обладает абразивными свойствами, седиментационной устойчивостью, способностью не загустевать при перемешивании с буровым промывочным раствором, сохранять подвижность в течение процесса цементирования и т.д. [120]. Испытания тампонажных растворов проводились на базе лаборатории Пермского национального исследовательского политехнического университета кафедры Нефтегазовые технологии.
Определение основных свойств тампонажного раствора и камня осуществлялось в соответствии с методиками, изложенными в ГОСТ 26798.1 42 96, ГОСТ 26798.2-96, API Recommended Practice 10B, ISO 10426-2:2003 [39, 40, 137, 139].
Согласно разработанной рецептуре производилась навеска реагентов, после чего готовилась сухая смесь. Доведенную до однородности путем механического перемешивания смесь затворяли расчетным количеством воды. После затворения раствор помещался в ячейку консистометра для кондиционирования при определенной температуре в течение 20 мин. Затем готовый тампонажный раствор испытывался на приборах.
Определение плотности тампонажного раствора осуществлялось на рычажных весах модели Fann 140.
Растекаемость тампонажного раствора определяли с помощью конуса АзНИИ, который представляет собой усеченный конус объемом 120 см3. Значение величины растекаемости определялось как среднеарифметическая величина измерений по наибольшей и наименьшей диагоналям пятна расплыва раствора.
Определение реологических характеристик тампонажного раствора проводилось на вискозиметре OFITE модель 900. Вискозиметр OFITE модель 900 позволяет определять характеристики течения цементных растворов в единицах напряжения сдвига, скорости сдвига, а также времени и температуры при атмосферном давлении. Скорости автоматически изменяются при проведении опыта, так же предусмотрен ручной режим, величины напряжения сдвига отображаются на электронном табло. Дополнительно, для нагрева исследуемого образца, может использоваться нагреватель стакана.
Основные требования, предъявляемые к тампонажным составам
Как показывают результаты исследований (таблица 3.1.5) предварительное растворение Atren light в воде увеличивает сроки реакции гидратации оксида кальция в 20 раз. Соответственно от степени растворения Atren light в значительной мере зависит динамика реакции гидратации, что усложняет регулирование реакции данным ингибитором. Готовилась сухая смесь оксида кальция с ангидритом, которая затем затворялась пресной водой. Время реакции гидратации извести с ангидритом при различных соотношениях представлено в таблице 3.1.6. Таблица 3.1.6 Реакции гидратации оксида кальция с ангидритом Состав Компоненты Содержаниекомпонентовв сухой смеси, % Времяреакции,мин 1 CaО/ангидрит 90/10 0,9 2 85/15 2,2 3 80/20 3,5 4 75/25 4,1 5 70/30 4,5 На основании анализа данных, представленных в таблице 3.1.6, установлено, что ангидрит практически не оказывает замедляющего действия на протекание реакции гидратации оксида кальция.
Готовилась сухая смесь оксида кальция с гипсом марки Г-5, которая затем затворялась пресной водой. Время реакции гидратации извести с гипсом при различных соотношениях представлено в таблице 3.1.7.
Реакции гидратации оксида кальция с гипсом Состав Компоненты Содержаниекомпонентовв сухой смеси, % Времяреакции,мин 1 СаО/гипс Г-5 90/10 0,9 2 85/15 1,1 3 80/20 1,2 4 75/25 1,4 5 70/30 1,8 На основании анализа данных, представленных в таблице 3.1.7, установлено, что гипс практически не оказывает замедляющего действия на протекание реакции гидратации оксида кальция. Следует учитывать, что добавка в тампонажный раствор сульфата кальция (гипса, ангидрита) может способствовать образованию эттрингита в цементном камне, что ухудшает его механические свойства и может способствовать разрушению камня при поздних сроках формирования эттрингита [57, 58]. Готовилась сухая смесь оксида кальция с ТПФН, которая затем затворялась пресной водой. Время реакции гидратации извести с ТПФН при различных соотношениях представлено в таблице 3.1.8.
На основании анализа данных, представленных в таблице 3.1.8, установлено, что ТПФН практически не оказывает замедляющего действия на протекание реакции гидратации оксида кальция.
Готовилась сухая смесь оксида кальция с нафталин-формальдегидным пластификатором марки Cemplast, которая затем затворялась пресной водой. Время реакции гидратации извести с Cemplast при различных соотношениях представлено в таблице 3.1.9.
На основании анализа данных, представленных в таблице 3.1.9, установлено, что Cemplast практически не оказывает замедляющего действия на протекание реакции гидратации оксида кальция. Производственный опыт показывает, что минимальное время загустевания тампонажного раствора должно быть не менее 2 ч. Произведена выборка результатов экспериментальных исследований по влиянию указанных реагентов на время гидратации оксида кальция, по результатам которой наиболее перспективными оказались КССБ-2М, медный купорос, стекло натриевое жидкое, ФХЛС-МН, Atren Light.
Исследование совместного влияния оксида кальция и ингибиторов его гидратации на динамику деформации цементного камня. Вяжущей основой для испытуемого тампонажного раствора выбран портландцемент марки ПЦТ-I-G-СС-1 производства ОАО «Сухоложскцемент». Для исследования влияния расширяющих добавок на величину линейного расширения цементного камня разработан базовый тампонажный состав с регулируемыми технологическими свойствами, модифицированный следующими добавками: 1. Понизитель водоотдачи на основе гидроксиэтилцеллюлозы применяется для снижения фильтрации жидкости затворения из цементного раствора в интервалах проницаемых пластов, для стабилизации раствора и повышения его седиментационной устойчивости. 2. Пеногаситель вводится для удаления из тампонажного раствора вовлеченного воздуха, что обеспечивает создание плотного низко проницаемого камня. Концентрации модифицирующих добавок подбирались с таким условием, чтобы обеспечивались необходимые технологические параметры тампонажного состава, удовлетворяющие требованиям безопасного проведения работ по цементированию скважины и обеспечивающие высокое качество формируемого цементного камня.
В разработанную рецептуру вводили отобранные перспективные сочетания оксида кальция с ингибиторами. Результаты исследований описаны ниже.
Совместное введение в цементный раствор СаО и натриевого жидкого стекла даже в небольших количествах приводило к растрескиванию цементного камня [68]. Использование медного купороса значительно увеличивало сроки загустевания и схватывания. По истечении 24 ч тампонажный раствор не схватился. Введение остальных ингибиторов не нарушало процессов кристаллизации раствора и целостность камня. На основании результатов проведенных исследований для применения в качестве оксидной составляющей расширяющей добавки к тампонажному раствору рекомендуются составы: - СаО/КССБ-2М (97/3); - СаО/ФХЛС-МН (99/1); - СаО/Atren Light (98/2).
Следует учесть, что ввод силиката натрия может ускорить загустевание и схватывание тампонажного раствора, а ввод реагентов КССБ-2М и ФХЛС-МН – замедлить схватывание. Кроме того, ввод реагентов КССБ-2М и ФХЛС-МН снижает водоотдачу и разжижает раствор.
В сухую смесь базового тампонажного состава вводили выбранные комбинации расширяющих добавок при дозировках 3, 5 и 8% от массы портландцемента. Сухую смесь перемешивали до однородной массы и затворяли водой. Приборы с расширяющимся тампонажным составом выдерживали в ванне с гидравлическим затворов при температурах 22 С, 75 С, и в сухой воздушной среде при температуре 22 С. Показания снимали каждые 24 и 48 ч. Результаты исследований представлены на рисунках 3.2-3.12.
Исследование влияния золы и шлака на динамику деформации цементного камня
Анализ полученных при экспериментальных исследованиях данных позволяет сделать следующие выводы: - зависимость линейного расширения от дозировки расширяющей добавки и от температурных условий твердения цементного камня прямая, то есть с увеличением концентрации добавки и температуры внешней среды растет величина линейного расширения; - отмечается прирост линейного расширения на вторые сутки твердения тампонажного камня.
Ввод высококальциевой золы практически не влияет на величину линейного расширения. Повышение температуры увеличивает ее реакционную способность, что свидетельствует об инертности золы при низких и нормальных температурах. Кроме того, высокая концентрация добавки скорее всего будет ухудшать прочностные характеристики цементного камня. Для создания безусадочных тампонажных растворов в условиях умеренных температур рекомендуется применять сланцевую золу в количестве 10-15 %. Математическое моделирование процесса расширения цементного камня. Для сравнения влияния добавки оксида кальция с модифицирующими компонентами на объемные деформации цементного камня в лаборатории буровых и тампонажных растворов были проведены соответствующие исследования, отраженные в пунктах 3.2 - 3.3 (таблицы 3.5.1 и 3.5.2).
Изучение формирования и количественной оценки величины линейного расширения от содержания оксида кальция с ингибиторами (варианты 1-3) и с двухкальциевым ферритом (варианты 4-6) через 48 ч при температурах 22 и 75С выполним с помощью статистических методов. Для сравнения величины линейного расширения для этих вариантов выполним оценку различий средних значений по критерию t для них, с учетом концентраций (таблица 3.5.3). Для этого вычислим значение критерия t по следующей формуле: 2 f zz P II + \X1-X2\ (n1-1S12+(n2-1S «1 + и2 - (3.1) где Х1, Х2 – соответственно средние значения показателей выборки; S12, S22 – дисперсии показателей выборки. Различие в средних значениях считается статистически значимым, если tp tt, где tp – это расчетное значение, а tt – табличное значение критерия t. Значения tt определяются в зависимости от количества сравниваемых данных и уровня значимости ( = 0,05). Сравнение изучаемых показателей приведено в таблице 3.5.3.
Отсюда видно, что при температуре 22 С средние значения линейного расширения (Рl) значительно выше, чем при температуре 75 С по всем вариантам. При этом необходимо отметить, что только при использовании данных по совокупности всех изучаемых вариантов средние значения Рl статистически различаются. Сравнение средних значений по отдельным вариантам показало, что максимальное влияние температуры по изучаемым показателям получено для CaО/ФХЛС (99/1), минимальное – по CaСО3:FeSO4 (2:1). Изменение линейного расширения (Рl) для изучаемых вариантов в зависимости от температуры (t) и концентрации (C) приведены на рисунке 3.19.
Зависимости Рl от t и C Отсюда видно, что при t=22 С при изменении значений C величина Рl повышается более интенсивно, чем при t=75 С. Для учета совместного влияния значений C и t на величину Рl построим многомерные модели. Это позволит оценить «вклад» влияния показателей по рассматриваемым вариантам на Рl. Многомерные модели построены с помощью пошагового регрессионного анализа (ПРА). Расчет регрессионных коэффициентов в разрабатываемых моделях выполним при помощи метода наименьших квадратов. Под регрессионным анализом понимается статистический метод исследования зависимостей между зависимой переменной Y и одной или несколькими независимыми переменными Х1, Х2,..., Хр. Зависимый признак в регрессионном анализе называется результирующим, независимый - факторным. Обычно на зависимую переменную действуют сразу несколько факторов. Совокупное влияние всех независимых факторов на зависимую переменную учитывается благодаря множественной регрессии. В общем случае множественную регрессию оценивают параметры линейного уравнения вида: Y=а+b1X1 + b2X2 +…+ bрXр (3.2) В данном уравнении регрессионные коэффициенты (b-коэффициенты) представляют независимые вклады каждой независимой переменной в предсказание зависимой переменной. Линия регрессии выражает наилучшее предсказание зависимой переменной (Y) по независимым переменным (Х). В нашем случае в качестве зависимого признака выступает – Рl, а в качестве независимых факторов – значения t и C.
Исследование влияния расширяющих добавок на технологические свойства тампонажного раствора и цементного камня
Примечание: в числителе СНС через 10 секунд, в знаменателе через 10 минут. Лабораторные испытания показали, что статическое напряжение сдвига тампонажных растворов с синтетическими полимерами держится на очень низком уровне и практически не изменяется с изменением концентрации полимера. Тампонажные растворы, модифицированные синтетическими полимерами, имеют растекаемость не менее 250 мм. После определения реологических параметров тампонажного раствора с синтетическими полимерами на дне ячейки прибора образовывался осадок толщиной порядка 2-4 мм, что свидетельствует об отсутствии структуры раствора и его низкой седиментационной устойчивости. Анализ полученных данных показывает: синтетические полимеры не обеспечивают раствору требуемых структурно-реологических свойств. Наблюдается расслоение раствора. Структурные свойства начинают появляться при концентрации добавки более 1 %. - увеличение концентрации полимера приводит к росту пластической вязкости и снижению показателя фильтрации; - рабочий диапазон концентраций полисахаридных полимеров составляет 0,15…0,3%, синтетических полимеров - 0,4…0,8 %; - оптимальным реагентом по сочетанию фильтрационных и реологических свойств является ГЭЦ-2.
Перспективным является совместное применение полисахаридных и синтетических полимеров с целью получения стабилизированных тампонажных растворов с низким показателем водоотдачи (до 50 см3/30 мин). 4.2 Исследование влияния реагентов-пластификаторов на свойства тампонажного раствора. Задачи, выполняемые пластификатором в тампонажном растворе, сводятся к повышению подвижности раствора и снижению его структурной (пластической) вязкости. Таким образом, введение пластификатора должно способствовать более раннему переходу режима течения тампонажного раствора от ламинарного к турбулентному и снижению гидродинамической составляющей давления при движении раствора по трубному и затрубному пространствах.
Сырьем для пластификаторов служат органические вещества, органоминеральные материалы и неорганические вещества. Органическое сырье получают из отходов нефтехимической, агрохимической и лесоперерабатывающей промышленности. Основой неорганических веществ являются концентраты нафталинсульфокислоты, формальдегиды.
В качестве пластификаторов и дисперсантов для тампонажных растворов на сегодняшний день используются химические реагенты, основным компонентом которых может выступать поликарбоксилат, нафталинсульфонат натрия (нафталинсульфонат-формальдегид), сульфированный аминофенол, сульфированный ацетон-формальдегид, сульфированный меломин формальдегид, лигносульфонат.
До введения пластификатора частицы портландцемента в растворе агрегатированны. Принцип действия пластификаторов заключается в том, что при адсорбции его молекул на частицах цемента проявляется электростатический и/или стерический эффект, что приводит к диспергированию частиц цемента в растворе. Стерический эффект в основном проявляется у поликарбоксилатных пластификаторов за счет боковых гидрофобных цепей молекул поликарбоксилатного эфира. Для выявления оптимального типа пластификатора для тампонажного раствора в лаборатории буровых и тампонажных растворов были проведены исследования пластификаторов следующих марок: - нафталинсульфонат-формальдегид: С-3, Суперпласт Прима, Феррокрит Ультра, Cemplast (пластификаторы отличаются обработкой разными поверхностно-активными веществами); - поликарбоксилат: Пластэк С7/531, Plasterm-10; - сульфированный аминофенол: Plasterm-15; - сульфированный ацетон-формальдегид: Cemstead-10; - сульфированный меломин-формальдегид: Plasterm-20; - лигносульфонат: КССБ-2М. Ввод пластификатора в тампонажный раствор без водоудерживающих добавок приводит к прогрессированию процесса седиментации, вследствие чего происходит расслоение раствора, что мешает корректному определению структурно-реологических свойств тампонажного раствора. Данное обстоятельство потребовало дополнительного ввода в раствор полимера на основе гидроксиэтилцеллюлозы марки НЕС-100000.
В рецептуру тампонажного раствора входили ПЦТ-I-G-СС1, HEC-100000 (0,2 %), пластификатор и вода при в/ц=0,46. Результаты исследования влияния пластификаторов на структурно-реологические и фильтрационные свойства тампонажного раствора при температуре 22 С представлены в таблице 4.2.1.