СОСТАВЫ И СПОСОБЫ ДЛЯ ЗАВЕРШЕНИЙ СКВАЖИНЫ
COMPOSITIONS AND METHODS FOR FINISHING OF WELL

Уровень техники
[1] Утверждения в этом разделе только лишь предоставляют справочную информацию, относящуюся к настоящему изобретению, и могут не представлять известный уровень техники.
[2] Это изобретение относится к составам и способам обработки подземных пластов, в частности, к составам и способам для цементирования и завершения эксплуатационных скважин месторождения, разрабатываемого тепловыми методами.
[3] Часто в ходе строительства подземных скважин во время и после бурения необходимо в стволе скважины устанавливать полое изделие. Это полое изделие может содержать бурильную трубу, обсадную трубу, хвостовик, гибкие насосно-компрессорные трубы малого диаметра или их комбинации. Полое изделие призвано выполнять функцию канала, через который желаемые жидкости из скважины могут поступать и быть собраны. Полое изделие обычно закрепляется в скважине цементной оболочкой. Цементная оболочка обеспечивает механическую поддержку и гидравлическую изоляцию между зонами или слоями, через которые скважина проходит. Последняя функция из двух названных имеет важное значение, поскольку она предотвращает гидравлическую связь между зонами, которая может привести к загрязнению. Например, цементная оболочка блокирует жидкости в нефтяных или газовых зонах от попадания в горизонт воды и загрязнения питьевой воды. Кроме того, для оптимизации эффективности добычи скважины может быть желательно изолировать, например, зону газодобычи от зоны нефтедобычи.
[4] Цементная оболочка обеспечивает гидравлическую изоляцию благодаря своей низкой проницаемости. Кроме того, для предотвращения утечек необходимо плотное сцепление между цементной оболочкой с одной стороны и полым изделием и стволом скважины с другой. Однако со временем у цементной оболочки могут ухудшиться эксплуатационные показатели, и она станет проницаемой. Кроме того, сцепление между цементной оболочкой и полым изделием или стволом скважины может быть нарушено. Основные причины ухудшения эксплуатационных показателей и нарушения сцепления включают физические напряжения, связанные с тектоническими сдвигами, температурные изменения и ухудшение химических свойств цемента.
[5] Разработка запасов сырой нефти часто включает применение тепла к продуктивному пласту. В таких эксплуатационных скважинах месторождения, разрабатываемого тепловыми методами, часто используется нагнетание пара в пласт. Нагнетание пара охватывает ряд способов, включая гравитационное дренирование с закачкой пара (SAGD), циклическую паровую стимуляцию добычи (CSS) и нагнетание пара в пласт. В ходе таких операций получающаяся температура в скважине может варьировать от 150°C до 700°C, что подвергает цементную оболочку особенно серьезным нагрузкам и может привести к повреждению цементной оболочки, образованию микрозазоров или и к первому, и ко второму. Действительно, у значительного процента эксплуатационных скважин месторождения, разрабатываемого тепловыми методами, присутствуют различные виды утечек, включая полный прорыв пара к поверхности.
[6] Для решения проблем ухудшения состояния цементной оболочки выдвигалось несколько предложений. Один подход заключается в проектировании такой цементной оболочки, которая бы механически выдерживала физические напряжения, которые могут возникнуть во время ее срока службы (патент США 6296057). Другой подход - использовать добавки, улучшающие физические свойства схватившегося цемента. В патенте 6458198 описывается добавление волокон аморфного металла для повышения прочности и сопротивления ударной нагрузке. В EP 1129047 и WO 00/37387 описывается добавление упругих материалов (резины или полимеров) для придания цементной оболочке некоторой степени упругости. В WO 01/70646 описываются цементные составы, имеющие такую рецептуру, что они менее чувствительны к колебаниям температуры во время процесса схватывания цемента. Однако эти решения не являются достаточно эффективными применительно к эксплуатационным скважинам месторождения, разрабатываемого тепловыми способами. Эти решения могут быть недостаточными для возникающих напряжений, активный материал может быть неустойчивым при таких высоких температурах, или может быть и первое, и второе.
[7] Таким образом, несмотря на ценный вклад известного уровня техники, по-прежнему остается потребность в улучшении цементных составов, которые могут лучше выдерживать тепловые и механические напряжения, связанные с эксплуатационными скважинами месторождения, разрабатываемого тепловыми способами.
Сущность изобретения
[8] Настоящее изобретение вносит улучшения, предоставляя цементные составы, которые, когда схватятся, имеют коэффициенты линейного теплового расширения, совершенно равные коэффициентам линейного теплового расширения обсадной трубы в подземной скважине. Когда цементная оболочка и обсадная труба при прикладывании тепла к скважине расширяются совершенно аналогично, то напряжения, получающиеся на цементной оболочке и на сцеплении цемента с обсадной трубой, минимизированы, что помогает сохранить изоляцию по зонам в скважине.
[9] В одном из аспектов варианты воплощения изобретения относятся к способам регулирования свойств теплового расширения цементного состава при его размещении в подземной скважине.
[10] В еще одном аспекте варианты воплощения изобретения относятся к способам управления тепловыми и механическими напряжениями в цементной оболочке в подземной скважине.
[11] В еще одном аспекте варианты воплощения изобретения нацелены на использование по меньшей мере одного углеродистого материала для регулирования свойств теплового расширения схватившегося цемента, размещаемого в подземной скважине.
Краткое описание чертежей
[12] На фиг.1 представлены два графика, показывающие, как максимальные напряжения при сжатии и растяжении в цементной оболочке изменяются в зависимости от коэффициента линейного теплового расширения схватившегося цемента, когда температура в скважине линейно увеличивается с 10° до 250°C.
[13] На фиг.2 представлены два графика, показывающие, как максимальные напряжения при сжатии и растяжении в цементной оболочке изменяются в зависимости от коэффициента линейного теплового расширения схватившегося цемента, когда температура в скважине линейно увеличивается с 10° до 700°C.
[14] На фиг.3 приведен график, показывающий, как образование микрозазоров между обсадной трубой и схватившимся цементом зависит от модуля Юнга пласта и цементной оболочки.
[15] На фиг.4 приведен график, показывающий, как на образование микрозазоров между обсадной трубой и схватившимся цементом влияет коэффициент линейного теплового расширения схватившегося цемента и модуль Юнга пласта и цементной оболочки.
Подробное описание
[16] Изобретение может быть описано с точки зрения обработки вертикальных скважин, но в равной мере применимо к скважинам любой ориентации. Изобретение может быть описано для скважин по добыче углеводородов, но следует понимать, что изобретение может использоваться и для скважин по добыче других текучих сред, таких как вода или двуокись углерода, или, например, для нагнетательных скважин или скважин-хранилищ. Следует также понимать, что в этой спецификации, когда пределы концентрации или количества описаны как полезные или подходящие или тому подобные, предполагается, что любая и каждая концентрация или количество в этих пределах, включая конечные точки, будет рассматриваться, как сформулировано. Более того, каждое числовое значение следует читать первый раз, подразумевая рядом с ним слово «около» (кроме случаев, когда это слово уже непосредственно присутствует), и затем читать снова без него, если иное не указано в контексте. Например, «диапазон в пределах от 1 до 10» следует рассматривать как указание на каждое возможное число в непрерывном отрезке между около 1 и около 10. Другими словами, когда устанавливается определенный диапазон, даже если только несколько конкретных точек данных явно определены или упомянуты в пределах этого диапазона или даже когда никакие точки данных не упомянуты в пределах диапазона, следует понимать, что изобретатели признают и подразумевают, что все и любые точки данных в пределах диапазона следует рассматривать как указанные и что изобретатели имеют в виду весь диапазон и все точки в пределах данного диапазона.
[17] Большинство материалов расширяется, когда они нагреваются, поскольку с повышением температуры расстояние между атомами также увеличивается. Тепловое расширение может быть выражено различными способами. Коэффициент линейного теплового расширения описывает конкретное линейное удлинение материала на единицу значения температуры при постоянном давлении. Коэффициент ареального теплового расширения относится к изменению в размерах площади материала в зависимости от температуры. Коэффициент объемного теплового расширения описывает изменение объема материала на единицу значения температуры. Для материалов, обладающих абсолютно одинаковыми свойствами во всех направлениях, коэффициент объемного теплового расширения равняется троекратному коэффициенту линейного теплового расширения.
-6
-6
[18] Типичный коэффициент линейного теплового расширения для обычного схватившегося портландцемента равняется около 8·10/°C, тогда как типичный коэффициент линейного теплового расширения для углеродистой стали равняется около 13·10/°C. Таким образом, когда цементная оболочка вокруг стальной обсадной трубы подвергается тепловой нагрузке, размеры цемента и обсадной трубы будут изменяться и расходиться относительно друг друга. В присутствии тепловых нагрузок, связанных с эксплуатационными скважинами месторождения, разрабатываемого тепловыми способами, это расхождение в размерах может вызвать значительные механические напряжения в цементной оболочке, приводя к образованию микрозазора, повреждению цементной оболочки в режимах и растяжения, и сжатия или в них обоих. Настоящее изобретение минимизирует вышеупомянутые напряжения, предоставляя схватившиеся цементы, коэффициенты линейного теплового расширения которых более совместимы с коэффициентами линейного теплового расширения обсадной трубы.
[19] Влияние коэффициентов линейного теплового расширения на напряжения при сжатии и растяжении в цементной оболочке показано на фиг.1 и 2. При моделировании были рассмотрены два цементных состава с различными модулями Юнга. Свойства обсадной трубы и пласта приведены в таблице 1. Напряжения были рассчитаны для двух сценариев: один, во время которого обсадная труба нагревалась по линейному закону с 10° до 250°C; другой - с линейным нагревом обсадной трубы с 10° до 700°C. Период времени для обоих сценариев был 3 дня.
Таблица 1Свойства пласта и обсадной трубы при моделированиях напряжений, представленных на фиг.1 и 2. На фиг.1 и 2 показано уменьшение напряжения при сжатии и растяжении для обеих цементных систем, когда коэффициент линейного теплового расширения породы достигает коэффициента линейного теплового расширения стали - 13·10<sup>-6</sup>/°C
Свойства пласта
Плотность
2300 кг/м<sup>3</sup>
Модуль Юнга
4000 и 9000 МПа
Коэффициент Пуассона
0,425
Теплопроводность
1,83 Вт/(м·K)
Удельная теплоемкость
710 Дж/(кг·K)
Коэффициент линейного теплового расширения
13·10<sup>-6</sup>/C
Необсаженный ствол скважины
400,0 мм
Внутренняя обсадная труба
Наименование материала
Сталь
Плотность
8000 кг/м<sup>3</sup>
Внешний диаметр обсадной трубы
298,45 мм
Внутренний диаметр обсадной трубы
273,61 мм
Зазор между обсадной трубой и стенкой ствола
80%
Модуль Юнга
200000 МПа
Коэффициент Пуассона
0,27
Вес
89,29 кг/м
Теплопроводность
15 Вт/(м·K)
Удельная теплоемкость
500 Дж/(кг·K)
Коэффициент линейного теплового расширения
13·10<sup>-6</sup>/°C
[20] На фиг.1 и 2 также показано, что напряжения при сжатии и растяжении в цементной оболочке остаются низкими, когда коэффициент линейного теплового расширения схватившегося цемента превышает коэффициент линейного теплового расширения стальной обсадной трубы. Действительно, как показано на фиг.3 и 4, коэффициент линейного теплового расширения схватившегося цемента может быть значительно выше, чем у обсадной трубы до возникновения разрушительных последствий в виде микрозазоров.
[21] Определенные свойства обсадной трубы, цемента и пласта приведены в таблице 2. Все остальные параметры являются такими же, как описаны в таблице 1.
Таблица 2Свойства пласта, цемента и обсадной трубы при моделированиях напряжений, представленных на фиг.2 и 3
Необсаженный ствол скважины
216 мм (8,5 дюйма)
Пласт
Коэффициент Пуассона
0,3
Обсадная труба
178 мм (7,0 дюймов), 38,7 кг/м
Модуль Юнга
изменяемый
Коэффициент линейного теплового расширения
13·10<sup>-6</sup>/°C
Цемент
Зазор между обсадной трубой и стенкой ствола
100%
Коэффициент Пуассона
0,15
Модуль Юнга
4500 или 8500 МПа
Возрастание температуры
от 20° до 260°C за 4 часа
-6
[22] На фиг.3 показана зависимость ширины микрозазора от модуля Юнга породы. Коэффициент линейного теплового расширения значительно выше, чем у стальной обсадной трубы - 50·10/°C. Были рассмотрены модули Юнга двух цементов - 4500 МПа и 8500 МПа. Результаты показывают, что, поскольку модуль Юнга породы больше, чем около 33% модуля Юнга цемента, никаких микрозазоров возникать не будет.
-6
[23] На фиг.4 приведена зависимость ширины микрозазора от коэффициента линейного теплового расширения цемента. Рассмотрены три состояния модулей Юнга при различных модулях Юнга цемента и породы. Результаты показывают, что ширина микрозазора является функцией не только коэффициента теплового расширения цемента, но также и соотношения между модулями Юнга цемента и породы. Результаты показывают, что тепловое расширение цемента в 20·10/°C является верхним пределом, выше которого существует риск образования микрозазора, если между модулями Юнга цемента и породы имеется большая разница (например, в 8 или 9 раз).
[24] Было обнаружено, что свойства теплового расширения цементной системы можно регулировать путем включения в состав жидкого бетона по меньшей мере одного углеродистого материала. Предпочтительные углеродистые материалы включают (но не ограничиваются только этим) один или более материал из списка, содержащего кокс, полученный процессом коксования в псевдоожиженном слое, замедленный кокс, прокаленный кокс, битум, древесный уголь, уголь, антрацит, графит, чешуйчатый кокс, аморфный смолистый кокс, смоляной кокс, анодный кокс, доменный кокс, аморфный графит, лигнит, битуминозный уголь, подбитуминозный уголь, экзинит, витринит, интертинит, тонкий колит, активированный уголь и гильсонит. Замедленный кокс может быть в одном или более видов, в том числе (но не ограничиваясь этим) дробовой, губчатый, игольчатый, лабиринтный, кальцинированный и зеленый. Еще более предпочтительные углеродистые материалы выбираются из списка, состоящего из кокса, колита или угля и их смесей. Наиболее предпочтительным используемым углеродистым соединением является кокс.
-6
-6
-6
-6
-6
[25] Варианты воплощения изобретения относятся к способам регулирования свойств теплового расширения цементной системы для размещения в подземной скважине, имеющей по меньшей мере одну обсадную трубу. Этот способ включает наличие в цементной системе такого углеродистого материала, что коэффициент линейного теплового расширения схватившегося цемента будет выше, чем у схватившегося цемента, не содержащего углеродистого материала. Предпочтительно, чтобы такой коэффициент линейного теплового расширения был меньше или равен около 50·10/°C. Более предпочтительный диапазон коэффициента линейного теплового расширения находится в пределах от около 11·10/°C до 20·10/°C, а еще более предпочтительный диапазон коэффициента линейного теплового расширения находится в пределах от около 11·10/°C до 17·10/°C.
-6
-6
-6
-6
-6
-1
[26] Дальнейшие варианты воплощения изобретения относятся к способам управления тепловыми и механическими напряжениями в цементной оболочке в подземной скважине. Этот способ включает установку по меньшей мере одной обсадной трубы в скважину, коэффициент линейного теплового расширения которой известен. Цементный раствор, содержащий по меньшей мере один углеродистый материал, составляется таким образом, что после схватывания он имеет коэффициент линейного теплового расширения выше, чем у схватившегося цемента, не содержащего углеродистый материал. Предпочтительно, чтобы такой коэффициент линейного теплового расширения был меньше или равен около 50·10/°C. Более предпочтительный диапазон коэффициента линейного теплового расширения находится в пределах от около 11·10/°C до 20·10/°C, а еще более предпочтительный диапазон коэффициента линейного теплового расширения находится в пределах от около 11·10/°C до 17·10/°C. Цементный раствор закачивается и размещается в скважине рядом с обсадной трубой, где и происходит его схватывание. Специалистам в данной области понятно, что во всем диапазоне температур во время размещения в скважине закачиваемого цементного раствора его вязкость предпочтительно ниже около 1000 мПа·с при скорости сдвига в 100 с.
-6
-6
-6
-6
-6
[27] Дальнейшие варианты воплощения изобретения нацелены на использование по меньшей мере одного углеродистого материала для регулирования свойств линейного теплового расширения схватившегося цемента, размещенного в подземной скважине, имеющей по меньшей мере одну обсадную трубу. Включение углеродистого материала позволяет регулировать тепловые и механические напряжения, оказываемые на цементную оболочку в скважине. Цементный раствор составлен таким образом, что после схватывания он имеет коэффициент линейного теплового расширения выше, чем у схватившегося цемента, не содержащего углеродистый материал. Предпочтительно, чтобы такой коэффициент линейного теплового расширения был меньше или равен около 50·10/°C. Более предпочтительный диапазон коэффициента линейного теплового расширения находится в пределах от около 11·10/°C до 20·10/°C, а еще более предпочтительный диапазон коэффициента линейного теплового расширения находится в пределах от около 11·10/°C до 17·10/°C.
[28] Для всех аспектов данного изобретения предпочтительная концентрация углеродистого материала может находиться в пределах от около 10% до около 60% по весу цемента, более предпочтительная - от около 11% до 50% по весу цемента, еще более предпочтительная - от 15% до 40% по весу цемента. Размер частиц углеродистого материала может находиться в пределах от около 1 мкм до 1200 мкм, предпочтительно - от 40 мкм до 1000 мкм и еще более предпочтительно - от около 90 мкм до 800 мкм.
[29] Для всех аспектов данного изобретения цемент может содержать один или более материалов из списка, включающего портландцемент, кальциево-алюминатный цемент, летучую золу, доменный шлак, смеси известкового кремнезема, геополимеры, магнезиальный цемент, химически связанную фосфатную керамику, цементную пыль и цеолиты. В предпочтительном варианте воплощения цемент - это портландцемент.
2
[30] Скважина может быть эксплуатационной скважиной месторождения, разрабатываемого тепловыми способами, а предпочтительная температура в скважине должна находиться в пределах от 15°C до 700°C. Если цементный раствор содержит портландцемент, то для предотвращения ослабления прочности при высоких температурах, связанных с эксплуатационной скважиной месторождения, разрабатываемого тепловыми способами, может быть добавлен кремний. В зависимости от конечной температуры концентрация кремния может быть отрегулирована таким образом, чтобы соотношение оксида кальция к диоксиду кремния (CaO/SiO) находилось в пределах между около 0,6 и 1,2. Подобные составы могут способствовать образованию эффективных минералов гидросиликата кальция, таких как ксонотлит и трускотит. При данных обстоятельствах концентрация кремния в цементном растворе может находиться в пределах от около 20% до 60% по весу цемента, а предпочтительно - от около 25% до 45% по весу цемента. Размер частиц кремния может быть от 0,1 мкм до 200 мкм, предпочтительно - от 1 мкм до 80 мкм, еще более предпочтительно - от 2 мкм до 80 мкм. В предпочтительной версии используемый кремний - это кварцевый песок.
3
3
3
3
3
3
[31] Кроме того, цементный раствор может содержать один или более компонентов из списка, включающего добавки-ускорители схватывания цемента, добавки-замедлители схватывания цемента, диспергаторы, добавки для снижения водоотдачи, модифицирующие агенты для снижения удельного веса цемента, разбухающие материалы, кремнистый туф, волокна и антивспениватели. Плотность раствора цемента может быть отрегулирована путем добавления модифицирующих агентов для снижения удельного веса цемента или утяжелителей, которые включают (но не ограничиваются только этим) стеклянные микросферы, компоненты композитных микросфер (таких как описаны в патенте США 7767629), керамические микросферы, красный железняк (гематит), титанистый железняк (ильменит), барит, песок, кремний и тетраоксид марганца. Плотность цементного раствора, используемого в различных вариантах воплощения, описанных выше, предпочтительна от 1100 кг/м до 2300 кг/м, более предпочтительна - от 1400 кг/м до 1900 кг/м и еще более предпочтительна - от 1500 кг/м до 1850 кг/м.
ПРИМЕРЫ
[32] Следующие примеры не являются ограничивающими и служат для дополнительной иллюстрации изобретения.
Пример 1
[33] Изучено влияние различных углеродистых материалов на свойства линейного теплового расширения схватившегося цемента. Составы цементного раствора приведены в таблице 3.
Таблица 3Составы цементных растворов, содержащие различные углеродистые материалы
Раствор №
1
2
3
4
5
Плотность раствора (кг/м<sup>3</sup>)
1900
1833
1660
1650
1780
Класс G
100
100
100
100
100
Молотый песок (% по весу сухого цемента)
-
40
35
35
35
Углеродистый материал (% по весу сухого цемента)
Кокс
-
-
42
-
-
Уголь
-
-
-
40
-
Антрацит
-
-
-
-
56
[34] Концентрации по весу углеродистых материалов были выбраны так, чтобы их соответствующие объемные концентрации в цементном растворе равнялись 20%. Доли объема твердой фазы растворов также были равны 49%. Используемый кокс был замедленным нефтяным коксом, имеющим средний размер частиц приблизительно 90 мкм; угольный материал был тонким колитом, имеющим средний размер частиц около 200 мкм; антрацит имел средний размер частиц около 180 мкм. Цементные растворы были подготовлены и обработаны стандартными способами, представленными в следующей публикации: «Нефтегазодобывающая промышленность - цементы и материалы для цементирования скважин - часть 2: испытание скважинных цементов», Международная организация по стандартам, публикация № 10426-2. После подготовки цементные растворы были залиты в формы со следующими габаритными размерами: 30 мм × 30 мм × 120 мм. Формы затем помещались в камеры тепловлажностной обработки бетона на одну неделю при температуре от 35° до 65°C и давлении 13,7 МПа.
[35] Затем коэффициенты линейного теплового расширения цементных систем замерялись с помощью механического дилатометрического способа. Способ и прибор описаны в следующей публикации: Даргауд Б. и Боукелифа Л.: «Лабораторное испытание, оценка и анализ скважинных цементов» в Нельсон Э.Б. и Гийо Д. (ред.): Цементирование скважин (2 издание) Шлумбергер, Хьюстон, США (2006) 627-658. Температура образца схватившегося цемента увеличивалась с 20 до 80°C. Нагрев выполнялся с приращениями в 10°C. Продолжительность каждого приращения нагрева составляла один час. После каждого приращения нагрева температура образца удерживалась постоянной в течение 3 часов. Давление было давлением окружающей среды. Результаты, представленные в таблице 4, показывают, что различные углеродистые материалы эффективно увеличивают коэффициент линейного теплового расширения по сравнению с контрольным раствором (раствор № 1).
Таблица 4Коэффициенты линейного теплового расширения для схватившихся цементов, содержащих различные углеродистые материалы
Раствор №
1
2
3
4
5
Коэффициент линейного теплового расширения(·10<sup>-6</sup>/°C)
9
10
13
13,5
11
Пример 2
[36] После описания опыта, приведенного в примере 1, было исследовано влияние концентрации углеродистых материалов на коэффициент линейного теплового расширения схватившегося цемента. В этом примере углеродистый материал был замедленным коксом, а составы цементного раствора представлены в таблице 5. Результаты, представленные в таблице 6, показывают, что коэффициент линейного теплового расширения увеличивается с концентрацией кокса.
Таблица 5Составы цементных растворов, содержащие различные концентрации кокса
Раствор №
6
7
8
9
10
11
Плотность раствора (кг/м<sup>3</sup>)
1900
1833
1660
1660
1690
1670
Цемент класса G
100
100
100
100
100
100
Молотый песок (% по весу сухого цемента)
-
40
35
40
35
40
Углеродистый материал (% по весу сухого цемента)
-
-
42
43
15
53
Таблица 6Коэффициенты линейного теплового расширения для схватившихся цементов, содержащих различные количества кокса
Раствор №
6
7
8
9
10
11
Коэффициент линейного теплового расширения(·10<sup>-6</sup>/°C)
9
10
13
13
13
15
Пример 3
50
50
[37] После описания опыта в примере 1 было исследовано влияние размера частиц доменного кокса на коэффициент линейного теплового расширения схватившегося цемента. С использованием состава раствора № 8 в примере 2, d одного коксового порошка был 160 мкм, а другого - 450 мкм. Как показано в таблице 7, коэффициент линейного теплового расширения увеличивался с d коксового порошка.
Таблица 7Влияние размера частиц кокса на коэффициент линейного теплового расширения
Коксовый порошок d<sub>50</sub>
160 мкм
450 мкм
Коэффициент линейного теплового расширения (·10<sup>-6</sup>/°C)
13
15