Full Text

Введение Эффективность эксплуатации нефтяных и газовых скважин в значительной степени зависит от методов и материалов крепления обсадных колонн [1, 2]. Качественное цементирование обеспечивает долговечность эксплуатации скважин и, соответственно, стабильность добычи нефти и газа. Известно, что прочность контакта цементного камня с породой, обеспечивающая герметичность заколонного пространства, является одной из самых главных характеристик оценки качества крепления скважин [3, 4]. Практика показывает, что заколонные перетоки возникают на контакте цементного камня с горной породой по причине наличия на породе глинистой корки [5-7]. Подъем бурового снаряда из скважины и спуск обсадной колонны оказывают на глинистую корку гидродинамическое воздействие, которое приводит к разрыхлению и образованию на её поверхности сети микротрещин. Глинистый раствор, попавший в эти микротрещины, трудно удалить в процессе прокачки буферной жидкости, что в конечном итоге отрицательно сказывается на сцеплении цемента с горной породой [8, 9]. Глинистая корка характеризуется хрупкой рыхлой минеральной структурой, что также влияет на свойство цементного камня. Поскольку полностью удалить глинистую корку с поверхности ствола скважины практически невозможно, то её наличие приводит к существенному снижению качества цементирования затрубного пространства, что выражается в возникновении микротрещин в цементном камне и частичном отсутствии его сцепления (адгезии) с горной породой на отдельных участках скважин [10-12]. Существующие методы удаления глинистой корки (скребки, абразивные буферные жидкости, турбулизация и изменение скорости потока) не позволяют полностью очистить поверхность стенки скважины, в связи с чем задача повышения качества крепления скважины путем химического воздействия на глинистую корку является актуальной. Авторами предлагается новый подход к креплению скважин путем введения в состав буферного раствора перед цементированием специальных модификаторов глины - GM-II. Сама по себе глинистая корка не имеет способности к отвердеванию, а цементный раствор при своей гидратации также не способствует твердению глины на поверхности ствола скважины. Для повышения активности глинистой корки и её способности к отвердеванию необходимо в глину вводить активные ионы [13]. В данной работе приведены результаты исследований некоторых составов буферных жидкостей, способствующих совместному твердению глин и цемента на контакте с горной породой, что существенно повышает адгезию тампонажного камня. Исследование влияния глинистой корки на сцепление цементного камня с горной породой Предлагаемая авторами идея повышения качества цементирования скважины состоит в разработке состава полимерной буферной жидкости (ПБЖ) на основе высокомолекулярных полимеров, позволяющей отверждать глинистую корку. В работе представлены результаты исследования влияния ПБЖ на адгезию цементного камня к горной породе, а также сделана попытка раскрытия механизма действия буферной жидкости на глинистую корку. Для определения влияния ПБЖ на адгезию цементного камня к горной породе были проведены экспериментальные исследования по методике, описанной в работе [14]. После образования глинистой корки на модели ствола скважины и частичного ее удаления часть форм на две минуты помещалась в воду, а другая - в полимерную буферную жидкость. После заливки цементного раствора образцы выдерживались в термостате при температуре 90 °C и при атмосферном давлении. Результаты экспериментов представлены на рис. 1. Из графиков видно, что адгезия у проб с применением ПБЖ значительно выше, чем у контрольных. Результаты показывают, что при использовании новых полимерных буферных жидкостей адгезия цементного камня с глинистой коркой выше в 3 раза через 2 суток и в 5 раз через 2 месяца. Раскрытие механизма действия буферной жидкости на глинистую корку Визуальное исследование показало, что у образцов, обработанных полимерным буферным составом, глинистая корка имеет гладкую и плотную структуру (рис. 2, б), что позволяет судить о ее высоком качестве. Кроме того, в пробах с ПБЖ толщина глинистой корки значительно меньше, чем у контрольных проб. Предыдущие исследования показали, что чем меньше толщина глинистой корки, тем выше адгезионная прочность контакта цементного камня с горной породой. На следующем этапе исследовался химический состав проб глинистых корок с целью определения причин изменения адгезии. Ввиду неизменности содержания барита (утяжелителя в буровом растворе) химические элементы в пробах обозначаются по отношению к барию. Результаты исследований представлены в табл. 1. Из табл. 1 видно, что в пробах с ПБЖ содержание химических элементов (Na, Mg, Al, Si, K, Ca, Fe) существенно выше, чем в контрольных. Входящая в состав полимера COO--группа адсорбирует активные катионы: Ca2+, Al3+, Na+, Mg2+ и др., а затем эти катионы адсорбируют анионы SiO42-, OH-, SO42- и д.р. Химическое взаимодействие этих ионов друг с другом приводит к образованию новых продуктов гидратации. Для изучения минералогического состава глинистой корки использовался рентгеноструктурный анализ (XRD), результаты которого представлены на рис. 3 и в табл. 2. Из рис. 3, а видно, что в контрольных пробах содержится большое количество соединений барита. Минералогический состав проб приведен ниже. Таблица 1 Содержание химических элементов в пробах Пробы Элемент Na/Ba Mg/Ba Al/Ba Si/Ba K/Ba Ca/Ba Fe/Ba С ПБЖ 28,33 2,056 3,19 30,79 1,9 20,12 1,256 Контрольные 0,38 0,908 1,226 5,76 0,333 4,18 0,129 Таблица 2 Результаты исследования методом XRD составов контрольных проб и проб с ПБЖ Характерный пик (×1000 CPS) Продукт Контрольные пробы 3,0945; 2,1167; 1,5330 и т.д. Кальцит 2,8289; 2,4751; 1,4895 и т.д. Кварц 4,4240; 1,8170; 1,5334 и т.д. Иддингсит 3,7593; 3,3089; 1,8540 и т.д. Полевой шпат 4,4719; 2,1010; 1,6711 и т.д. Монтмориллонит 4,3207; 3,0945; 1,6370 и т.д. Хлорид Пробы с ПБЖ 3,0292; 2,8303; 1,5261 и т.д. Кальцит 3,8895; 3,3131; 1,8170 и т.д. Кварц 4,4313; 1,8170; 1,5334 и т.д. Иддингсит 3,7619; 3,281; 1,8558 и т.д. Полевой шпат 4,5907; 2,8303; 1,6354 и т.д. Хлорид 4,3276; 3,313; 1,5334 и т.д. CaSO4·2H2O 2,2792; 1,533; 1,4562 и т.д. Mg (OH) 2 3,6774; 2,4785; 1,9282 и т.д. Al2SiO4(OH)2 4,2455; 3,7619; 1,9284 и т.д. Гидросиликат кальция 3,3601; 2,5281; 1,8558 и т.д. Гидросульфоалюминат 3,3601; 2,4785; 1,8558 и т.д. 3CaO·Al2O3·CaSO4·nH2O Рентгеноструктурный анализ состава глинистых корок показал, что в составе всех проб преобладают инертные минералы (кварц, кальциты, полевые шпаты, монтмориллониты, хлориды и д.р.). При взаимодействии этих минералов с ионами буферной жидкости их активность существенно повышается. В пробах с ПБЖ обнаружены дифракционные пики гидросиликатов кальция, эттрингитов, гидроалюминатов кальция, гидросульфоалюминатов и др., наличие которых обусловливает высокие прочностные характеристики глинистой корки, что в свою очередь обеспечивает высокое качество цементирования скважин. Для выявления причин повышенной прочности контакта «цементный камень - глинистая корка» проводились исследования ее микроструктуры. Из рис. 4 видно, что в контрольных пробах между цементным камнем и глинистой коркой отчетливо наблюдается граница. Промежуточная зона между цементом и глинистой коркой имеет большое количество трещин и пор, минералы обладают рыхлой структурой. Связь между цементным камнем и глинистой коркой незначительна, что обу- словливает низкое качество межпластовой изоляции крепления скважин. Дополнительные исследования показывают, что промежуточная зона между цементным камнем и глинистой коркой имеет крупные легкорастворимые включения Са(ОН)2. При соединении этих кристаллов с солями фильтрата цементного раствора образуются минералы, отрицательно влияющие на адгезию. Из рис. 5 видно, что при воздействии ПБЖ на глинистую корку между ней и цементным камнем образуется сетчатая кристаллическая структура, состоящая из полимера и вяжущих минералов. Белые дендритные новообразования имеют контакт как с минералами цементного камня, так и с частицами глинистой корки, образуя между ними прочную связь [15, 16]. Эти кристаллогидраты имеют спутанно-волокнистую структуру, которая заполняет трещины и поры между цементом и глинистой коркой, что содействует отвердеванию глинистой корки и приводит к уплотнению минералов в промежуточной зоне, в результате чего повышается контактная прочность цементного камня с породой. Влияние концентрации полимерных буферных жидкостей на сцепление цементного камня с горной породой Результаты исследования влияния концентрации полимерного раствора GM-II в буровом растворе представлены на рис. 6. Из графиков на рис. 6 видно, что адгезия цементного камня к глинистой корке с применением полимерных буферных жидкостей с различными концентрациями значительно выше, чем у контрольных образцов (концентрация GM-II = 0). Кроме того, с увеличением времени твердения адгезия цементного камня с глинистой коркой увеличивается, что связано с повышением степени гидратации цементного камня. Из рис. 6 видно, что с увеличением концентрации полимерного раствора GM-II адгезия цементного камня с породой через 2 суток увеличится. Однако через 60 дней адгезия цементного камня с породой с увеличением концентрации полимерного раствора GM-II в пределах 0-25 % увеличивается, а в пределах 25-35 %, наоборот, уменьшается. Это явление вызвано тем, что повышенная концентрация GM-II вызывает образование большого количества отложений и флоккул, имеющих слабую механическую структуру. Исследования стабильности полимерной жидкости показали, что при высокой температуре происходит коагуляция частиц смолы в латексе и выпадение их в осадок, что отрицательно сказывается на адгезии цементного камня к породе. Экспериментальные исследования показали, что надежная герметичность заколонного пространства скважины обеспечивается при применении полимерной буферной жидкости с концентрацией раствора GM-II 25 %. Выводы 1. Применение ПБЖ позволяет значительно улучшить качество крепи скважины за счет образования своеобразной сетчатой кристаллической структуры, обеспечивающей отвердевание глинистой корки в зоне контакта с цементным камнем. 2. После воздействия ПБЖ на глинистую корку, в которой активными группами являются COO-Ca+, COO-Al2+, -OH и др., между цементным камнем и горной породой образуются минералы (гидросиликаты кальция, эттрингиты, гидроалюминаты кальция, минералы с повышенным содержанием алюминатов и др.), увеличивающие контактную прочность цементного камня с породой. 3. Экспериментальные исследования показали, что надежная герметичность заколонного пространства скважины обеспечивается при применении полимерной буферной жидкости с концентрацией раствора GM-II 25 %

About the authors

Nikolai I. Nikolaev

Author for correspondence.
Email: nikinik@mail.ru
2 21st Line, Vasilevskii island, Saint Petersburg, 199106, Russian Federation

Doctor of Engineering, Professor at the Department of Well Drilling

Khaoia Liu

Email: lhy091575@163.com
2 21st Line, Vasilevskii island, Saint Petersburg, 199106, Russian Federation

postgraduate student at the Department of Well Drilling

Evgenii V. Kozhevnikov

Email: kozhevnikov_evg@mail.ru
2 21st Line, Vasilevskii island, Saint Petersburg, 199106, Russian Federation

postgraduate student at the Department of Well Drilling

References

Statistics

Views

Abstract - 375

PDF (Russian) - 137

Refbacks

• There are currently no refbacks.