Тампонажные работы в нефтяных и газовых скважинах

УДК 622.257.12

А.А. Мелехин

Санкт-Петербургский государственный горный университет, Санкт-Петербург, Россия

ТАМПОНАЖНЫЕ РАБОТЫ В НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИНАХ

Для повышения качества изоляции зон поглощения тампонажных растворов при креплении скважин предлагается использовать тампонажный материал на основе портландцемента с расширяющейся полимерной добавкой. Разработанный состав представляет собой тампонажную систему, увеличивающуюся в объёме при закачивании в пласт до 10-12 %, при этом формируется цементный камень, обеспечивающий герметичность всего интервала.

Ключевые слова: скважина, поглощение, обсадная колонна, тампонажный раствор.

A. Melekhin

Saint-Petersburg State Mining University, Saint-Petersburg, Russia OIL AND GAS WELL PLUGGING OPERATIONS

For increasing quality of isolating of absorption zones under well cementing plugging material, based on Portland cement with expending polymeric addition is offered. Developed composition present plugging system, which increases in volume under pumping into a layer up to 10-12%, at the same time cement stone which insure leaktightness of whole interval is forming.

Keywords: well, absorption, casing, backfill composition.

Строительство нефтяных и газовых скважин в условиях поглощения бурового раствора в процессе бурения и тампонажного раствора при цементировании обсадных колонн приводит к существенному росту общей стоимости буровых работ. В России значительный объем разведочного и эксплуатационного бурения приходится на регионы с весьма сложными горно-геологическими условиями, что делает весьма актуальной задачу поиска новых технологий для эффективной борьбы с указанными осложнениями.

Для этих условий авторами проведены исследования по разработке тампонажных составов и технологических схем их применения, позволяющих снизить непроизводительные затраты времени и материалов на ведение изоляционных работ при цементировании обсадных колонн.

Технология ликвидации поглощений большой интенсивности базируется на использовании в качестве тампонажного материала цементного раствора на основе портландцемента с расширяющейся полимерной добавкой под условным названием РПД. Указанный реагент представляет собой водонабухающий сополимер карбоновых кислот акрилового ряда, их эфиров и солей, при соприкосновении с водой интенсивно поглощает её, превращаясь в плотную гелеобразную массу.

Высокая кольматирующая способность данной тампонажной смеси обеспечивается двумя одновременно протекающими процессами -интенсивного набухания полимера за счет адсорбции дисперсионной среды из цементного раствора и повышения вязкости за счет его обезвоживания.

При решении задачи фильтрации тампонажной смеси в поглощающий пласт были приняты следующие допущения:

1. Движение тампонажной смеси в поглощающей среде принимается неразрывным, установившимся.

2. При полном, а тем более при катастрофическом поглощении раствора движение естественных подземных вод оказывает весьма малое влияние на фильтрационный поток из скважины, поэтому вязкостью вытесняемой воды можно пренебречь.

3. В основу исследования принято уравнение линейной фильтрации Дарси.

4. Движение тампонажной суспензии по каналам проницаемого пласта прекращается, когда геометрические размеры набухающих компонентов смеси становятся равными эквивалентному диаметру пористой или при достижении тампонажной смесью предельной консистенции.

При решении данной задачи были получены уравнения, описывающие зависимость необходимой репрессии на пласт при продавли-вании в него тампонажной смеси и её объёма, необходимого для качественной изоляции поглощающего интервала.

Р_х = Р., - Р-8

2п И-К-Ятах гс

где 4= ¿вниз+ ¿вверх - время закачки тампонажной смеси до пласта; J -напорный градиент; К - коэффициент, учитывающий криволинейность каналов фильтрации жидкости, равный отношению криволинейной траектории движения жидкости к криволинейному радиусу её распро-

странения; h - мощность поглощающего интервала, м; r - текущий радиус, м; rc - радиус скважины, м; Rmax - максимальный радиус распространения тампонажной смеси, м; у - удельный вес тампонажной смеси, н/м3; p - плотность бурового раствора, кг/м3; tk - время за которое тампонажная смесь достигает предельной консистенции, при которой теряется подвижность (30 Вс), с; Рнаг - давление нагнетания на устье, Па; Рвых - давление на выходе из затрубного пространства, Па; Q -расход закачиваемой в пласт тампонажной смеси, м /с.

С технологической точки зрения наибольший практический интерес представляет решение задачи о необходимом объёме тампонаж-ной смеси для ликвидации поглощения в трещиноватом массиве пород.

l2

V = 2п • m0 • h

K-Г 5Jу L l Л

1 tk-------------

12ц

vk ^.п у

где K - коэффициент криволинейности трещин; Г - густота трещин, 1/м; 5 - среднеобъёмная раскрытость трещин, м; vk - скорости движения тампонажной смеси внутри колонны, м/с; v^ - скорость движения тампонажной смеси в кольцевом пространстве, м/с; ц - пластическая вязкость тампонажной смеси, Па-с; m0 - пустотность трещиноватого массива.

Аналитические зависимости (1) и (2) позволяют рассчитать потребный объём тампонажного материала для ликвидации поглощения известной интенсивности и давление, необходимое для продавливания тампонажной смеси по поглощающему пласту, создаваемое путём перекрытия затрубного пространства на цементировочной головке.

Для упрощения анализа уравнения (2) установим следующие начальные параметры: h=5 м; J =1,0; m0= 0 - 0,1; K=2; Г=1-10 1/м; 5 = 0,5-3 мм; p=1450 кг/м3; ц=0,1- 0,3 Па-с; tk=30 мин; L=500 м; 1=200 м.

На рис. 1 представлена зависимость объёма тампонажной смеси, необходимой для ликвидации поглощения, от характеристик поглощающего пласта и реологических параметров тампонажной смеси.

Из графиков видно, что при увеличении пустотности массива объём тампонажной смеси, необходимый для эффективной изоляции поглощающего пласта, прямо пропорционально возрастает, оптимальный объём достигается при слабой подвижности тампонажной смеси (ц = 0,2- 0,3 Па-с).

Пустотность трещиноватого массива

Рис. 1. График зависимости объёма тампонажной смеси V от изменения пустотности трещиноватого массива т0 для различной вязкости тампонажной смеси ^ при 5 = 3 мм; Г = 51 м

Анализ уравнения (2) показывает, что вязкость тампонажной смеси (рис. 2) существенным образом влияет на потребный объём её закачки в поглощающий горизонт и что рациональная область применения рассматриваемых расширяющихся тампонажных систем может быть ограничена размерами каналов (5 < 1,5 мм).

ОД 0,15 0,2 0,25 0,3

Вязкость тампонажной смеси, Па-с

Рис. 2. График зависимости объёма тампонажной смеси V от изменения вязкости ц для различной среднеобъёмной раскрытости трещин 5 при Г = 51 м; т0 = 0,1

При легкоподвижных суспензиях (ц = 0,1^0,15 Па-с) необходимый объём тампонажного раствора увеличивается многократно при высокой среднеобъёмной раскрытости трещин (5 = 2,5^3 мм).

Увеличение вязкости естественным образом приводит к снижению объёма нагнетаемой тампонажной смеси, так как за счёт повышения гидравлических сопротивлений снижается скорость её движения по проницаемому пласту, уменьшая тем самым радиус распространения смеси, при этом изменение раскрытости трещин в меньшей степени оказывает влияние на объём её закачки в осложнённый интервал.

При малой среднеобъёмной раскрытости трещин (5 = 0,5^1,5мм) потребный объём тампонажной смеси стремится к нулю ввиду мгновенного заполнения смесью всех пор и трещин, что препятствует дальнейшему её продвижению независимо от вязкости. В связи с этим применение разработанных тампонажных смесей при данных условиях может оказаться малоэффективным.

На графике, представленном на рис. 3, показаны зависимости объёма нагнетаемой тампонажной смеси в поглощающий интервал скважины от густоты распространения фильтрационных каналов и её реологических свойств, из которых следует, что легкоподвижные там-понажные смеси (р = 0,1^0,15 Па-с) малоэффективны при высокой гус-^ ЛЛ

тоте трещин

Рис. 3. График зависимости объёма тампонажной смеси V от густоты трещин Г для тампонажной смеси с различной вязкостью р при 5 = 3 мм; т0 = 0,1

Анализ графических зависимостей, представленных на рис. 3, показывает, что оптимальная вязкость тампонажной смеси на входе в поглощающий пласт составляет 0,2^0,3 Па-с.

Применимость разработанной математической модели оптимальна для суспензий с большими показателями вязкости (р = 0,2^0,З Па-с) и ограничена размерами каналов (5 < 1,5 мм).

Из всего изложенного выше можно сделать следующие выводы:

1. Основными факторами, определяющими потребный расход там-понажной смеси на основе портландцемента и расширяющейся полимерной добавки, являются густота трещин, мощность поглощающего интервала, его пустотность, величина среднеобъёмной раскрытости трещин, структурно-реологические характеристики тампонажной суспензии.

2. На эффективность изоляционных работ существенное влияние оказывает величина раскрытости каналов 5, причём при 5 < 1,5 мм применение рассматриваемых тампонажных смесей малоэффективно даже при небольших величинах вязкости.

3. Рациональная область применения расширяющихся тампонаж-ных смесей может быть ограничена показателями вязкости (р > 0,2 Па-с) и размерами каналов поглощающего пласта (5 < 1,5 мм).

4. Расчётный анализ полученной математической зависимости показывает её применимость для инженерных расчётов в диапазоне реальных значений величин входящих в неё показателей.

Об авторах

Мелехин Александр Александрович (Санкт-Петербург, Россия) - аспирант кафедры бурения скважин Санкт-Петербургского государственного горного университета (199106, Санкт-Петербург, Васильевский остров, 21 линия, д. 2, e-mail: melehin.sasha@mail.ru).

About the authors

Melekhin Aleksandr (Saint-Petersburg, Russia) - post-graduate student, Saint-Petersburg State Mining University, Oil and gas department (199106, St.-Petersburg, Vasilevsky island, 21 line 2, e-mail: mele-hin.sasha@mail.ru).

Получено 09.09.2011