Перспективы применения новых технологий при цементировании нефтяных и газовых скважин Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

БУРЕНИЕ

УДК 622.245.422

А.И. Абдуллаев1, e-mail: aydin.abduiiayev@socar.az; И.Б. Гулиев1, e-mail: Hqarb.quiiyev@socar.az; О.Э. Багиров2, e-maii: OBagirov@socar-aqs.com; И.A. Гасымов2, e-maii: IGasimov@socar-aqs.com; Р.М. Мамедов3, e-maii: rajab.mammadov@socar.az

1 Головной офис SOCAR (Баку, Азербайджанская Республика).

2 ООО «SOCAR-AQ§» (Баку, Азербайджанская Республика).

3 SOCAR, Трест «Комплексные буровые работы» (Баку, Азербайджанская Республика).

Перспективы применения новых технологий при цементировании нефтяных и газовых скважин

В статье рассматриваются пути решения таких вопросов, как регулирование реологических параметров цементного раствора при цементировании нефтяных и газовых скважин, улучшение качества затвердевшего цементного камня, обеспечение его долговечности с применением современных технологий, в том числе нанотехнологий. Известно, что для регулирования реологических параметров цементного раствора в зависимости от глубины и термобарических характеристик скважины добавляют различные реагенты.

В настоящее время для улучшения реологических параметров цементного раствора и качества цементного камня, образовавшегося в результате процесса гидратации, компании производят множество химических добавок. При проведении лабораторных исследований использовалась продукция, произведенная в России и Италии. Эти химические добавки состоят в основном из гидрофобизирующих ингредиентов, суперпластификаторов и наномо-дификаторов, образовавшихся в результате синтеза продуктов нефтехимии и их отходов.

Из экспериментов, проведенных в лабораторных условиях, становится ясно, что суперпластификаторы и наномо-дификаторы, добавленные в цементный раствор, наряду с регулированием таких реологических параметров, как растекаемость, динамическое напряяжение сдвига, начало и конец загустевания, обеспечивают также способность раствора к адгезии (прилипанию), способствуют образованию гидрофобной поверхности в цементном камне. Добавление этих реагентов способствует улучшению прочностных свойств полученного цементного камня при изгибе и сжатии, снижению пористости и проницаемости до минимального уровня. Бентонит, который используется в качестве структуробразующего агента, придает пластичность цементному камню, а также обеспечивает объемное расширение цементного раствора.

В статье также приводятся результаты испытаний выбранного состава на консистометре КЦ-3 в условиях, приспособленных к скважинному режиму.

Ключевые слова: цементирование, гидрофобизатор, суперпластификатор, модификатор, адгезия, агрессивные пластовые воды, металлические наночастицы.

A.I. Abdullayev1, e-mail: aydin.abdu11ayev@socar.az; I.B. Guliyev1, e-mail: i1qarb.qu1iyev@socar.az; O.E. Baghirov2, e-mail: OBagirov@socar-aqs.com; I.A. Gasimov2, e-mail: IGasimov@socar-aqs.com; R.M. Mammadov3, e-mail: rajab.mammadov@socar.az

1 SOCAR, Head office (Baku, Azerbaijan Republic).

2 SOCAR-AQ§ LLC (Baku, Azerbaijan Republic).

3 SOCAR, Integrated Drilling Trust (Baku, Azerbaijan Republic).

Prospects of new technologies in oil and gas well cementing

In the paper, the ways of solving issues such as the regulation of the rheological parameters of cement slurry during oil and gas well cementing, an improvement of quality of the hardened cement stone, providing a durability, with the application of advanced technologies, including nanotechnologies, are considered.

It is known that for adjusting rheological parameters of cement slurry depending on the well depth and thermobaric characteristics, various reagents are added.

Nowadays, to improve the rheological parameters of cement slurry and the quality of cement stone, formed after the hydration process, a large number of chemical additives is produced by various companies.

26

№ 4 апрель 2016 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ

In laboratory studies there were used the products manufactured in Russia and Italy. These chemical additives are mainly composed of hydrophobizing ingredients, superplasticizers and nanomodifiers formed as a result of synthesis of petrochemicals and wastes.

From laboratory experiments it is clear that along with the regulation of the rheological parameters (fluidity, dynamic shear stress, the beginning and the end of thickening), superplasticizers and nanomodifiers added to the cement slurry also provide the solution's ability to adhesion and promote the formation of a hydrophobic surface in the cement stone. The addition of these reagents improves the strength properties of the obtained cement stone during bending and compression and reduces porosity and permeability to the minimum. Bentonite, which is used as a structure-forming agent, provides the plasticity of the cement stone and volumetric expansion of the cement slurry. In the paper there are also given test results of the chosen composition under conditions adapted to the borehole mode using consistometer 1^-3.

Keywords: cementing, hydrophobizator, superplasticizer, modifier, adhesion, aggressive oilfield waters, metal nanoparticles.

В настоящее время для улучшения реологических параметров цементного раствора и качества цементного камня, образовавшегося в результате процесса гидратации, производится множество химических добавок. Они состоят главным образом из гидро-фобизирующих ингредиентов, суперпластификаторов и модификаторов, образовавшихся в результате синтеза продуктов нефтехимии и их отходов. В целях улучшения физико-механических свойств цементного камня изучались совместимости одновременного использования суперпластификаторов и модификаторов в цементном растворе [8, 9].

Добавление в цементный раствор модификаторов в незначительных концентрациях приводит к существенным изменениям его структуры, механических и коллекторских свойств. Добавление суперпластификаторов и гидрофобизаторов обеспечивает сохранение физико-механических свойств цементного камня и железобетонных изделий в ходе их эксплуатации в течение длительного времени [3].

Добавление реагентов в цементный раствор для различных целей (сохранение прочностных и пластичностных свойств цементного камня, обеспечение гидрофобности, сохранение

пористости и проницаемости на минимальном уровне, улучшение адгезии за счет объемного расширения на поверхности «порода - цементный камень - обсадная труба», получение однородной цементной массы, сведение к минимуму водоотделения в ходе процесса гидратации и предотвращение осаждения наполнителей) в конечном результате обеспечивает качество цементного камня. Высококачественное цементирование колонн зависит не только от вышеупомянутых свойств цементного раствора. Проведение качественного цементирования и получения цементного камня, соответствующего высоким стандартам, зависит

Ь Î?

о

25

20

15

10

2 4

Концентрация бентонта, % Bentonite concentration, %

Рис. 1. Диаграмма влияния бентонитовой глины на растекаемость цементного раствора Fig. 1. Diagram of bentonite clay influence on the fluidity of cement mortar

Ссылка для цитирования (for citation):

Абдуллаев А.И., Гулиев И.Б., Багиров О.Э., Гасымов И.А., Мамедов Р.М. Перспективы применения новых технологий при цементировании нефтяных и газовых скважин // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2016. № 4. С. 26-31.

Abdullayev A.I., Guliyev I.B., Baghirov O.E., Gasimov I.A., Mammadov R.M. Prospects of new technologies in oil and gas well cementing (In Russ.). Territorija «NEFTEGAZ» = Oil and Gas Territory, 2016, No. 4, pp. 26-31.

БУРЕНИЕ

Таблица 1. Результаты экспериментов, проведенных с применением в различных концентрациях суперпластификатора производства компании Durocem (Италия), изготовленным при температуре 75 °С и давлении 1 атм.

Table 1. Results of experiments conducted with different concentrations of superpLasticizer, produced by Durocem (Italy) at 75 °C and 1 atm. pressure

Реология цементного раствора RheoLogy of the cement slurry Образец 1 Sample No. 1 Образец 2 Sample No. 2 Образец 3 SampLe No. 3

Выход полученной продукции, см3 Product yield, cm3 1762 1771 1778

Объемное расширение, % Cubic dilatation, % 6,5 7,0 7,4

Удельный вес, г/см3 Specific gravity, g/cm3 1,85 1,83 1,84

Растекаемость, см SpreadabiLity, cm 24 25 25

Водоотделение, см3 Water gain, cm3 2,5 1,9 1,3

Время схватывания, часы Setting time, hours Начало Start 14:20 14:20 10:15

Конец End +0:40 +0:40 +6:30

Предел прочности на изгиб, МПа Bending strength, MPa

Через день In 1 day 3,2 3,2 3,3

Через 2 дня In 2 days 3,3 3,3 3,5

Через 7 дней In 7 days 3,5 3,5 3,6

Предел прочности на сжимаемость, МПа Compressing strength, MPa

Через день In 1 day 10,1 10,1 10,6

Через 2 дня In 2 days 13,4 13,4 13,9

Через 7 дней In 7 days 15,0 15,0 15,8

0 2 4 6 8

Предел прочности, МПа Strength limit MPa

♦ Предел прочности на изгиб « Предел прочности на сжатие bending strength compressing strength

Рис. 2. Диаграмма влияния бентонитовой глины на прочностные характеристики цементного камня

Fig. 2. Diagram of bentonite clay influence on the strength characteristics of the cement rock

от многих факторов, в том числе от некоторых управляемых параметров.

ЭТИ ФАКТОРЫ МОЖНО УСЛОВНО РАЗДЕЛИТЬ НА ТРИ ГРУППЫ [4]:

1) геологические - тип флюида, его количество в пробуренном пласте, степень минерализации подземных вод, литология пород, пластовое давление и давление гидроразрыва, термический градиент;

2) технические - конструкция скважины и угол наклона, эксцентричность колонны, наличие каверн и сужений, образование каналов в стволе, использование центраторов, турбулизаторов и скребков;

3) технологические - вид и свойства вытесняемого бурового и тампонаж-ного растворов, объем и природа буферного раствора, режим течения растворов в кольцевом пространстве, физическое-химическое взаимодействие, время динамического взаимодействия раствора со стенкой скважины, вращение колонны и перемещение вдоль оси во время цементирования, время схватывания цементного раствора, прочность и проницаемость цементного камня, вид цементирования и т.д.

Проницаемость цементного камня, образовавшегося после крепления колонн, приводит к накоплению давления в устье колонны во время эксплуатации скважины. Одной из причин образования давления за колонной является отсутствие пластичности цементного камня. Так, при отсутствии пластичности цементного камня при перфорации эксплуатационной колонны во время мгновенного повышения давления, температуры и удара, наряду с отверстиями также образуются и микротрещины. Это, в свою очередь, создает ряд проблем. В период эксплуатации скважины создается сообщение между пластами, что приводит к преждевременному обводнению продуктивных пластов, и в связи с этим применяется ряд неотложных технологических мер по восстановлению. В конечном счете, это способствует увеличению себестоимости нефти [4]. В работах [6-7] описаны результаты добавления бентонитового порошка

к тампонажному раствору с целью обеспечения непроницаемости цементного камня, а также улучшения механических и других свойств. В нашем случае также изучено влияние изменения концентрации бентонитовой глины на свойства тампонажного раствора (рис. 1-3). Первичные исследования проводились при температуре 75 °С и давлении 1атм. Лабораторные исследования проводились в соответствии с действующим в настоящее время стандартом ГОСТ 26798.1-96 [5]. Изучено влияние концентрации бентонитовой глины на прочность и растекаемость цементного камня при одинаковом водоцементном соотношении.

Из рисунков 1 и 2 видно, что добавление бентонитовой глины к цементному порошку приводит не только к уменьшению растекаемости, но и к ухудшению прочностных свойств цементного раствора.

Очевидно, водоцементное отношение 0,6 по прочностным характеристикам цементного камня, а также по растекаемости цементного раствора не приемлемо для цементирования скважин. В таблице 1 приведены результаты экспериментов, проведенных с применением в различных концентрациях суперпластификатора производства компании Durocem (Италия) при температуре 75 °С и давлении 1 атм. В условиях высокого давления (500 атм.) и температуры (100 °С) на консистометре КЦ-3 после трехчасового режима испытания изучены растекаемость, начало и конец схватывания приготовленного цементного раствора. После извлечения цементного раствора из консистометра было установлено, что растекаемость цементного раствора изменилась в пределах 13-15 см (рис. 3, диаграмма 3). Полученные результаты по растекаемости (ниже 15 см) не обеспечивают успешное завершение цементирования без осложнений. С целью устранения данной проблемы, а также регулирования реологических свойств тампонажного раствора, начала и конца времени схватывания, скорости выделения свободной воды и физико-механических, коллекторских и гидрофобных свойств

Таблица 2. Изменение реологических характеристик цементного раствора после добавления металлических наночастиц

Table 2. Rheology characteristics of cement slurry changing after the addition of metal nanoparticl.es

Реология цементного раствора Rheology of the cement slurry Образец 4 Sample No. 4 Образец 5 Sample No. 5 Образец 6 Sample No. 6

Удельный вес, г/см3 Specific gravity, g/cm3 1,85 1,83 1,84

Растекаемость, см Spreadability, cm 17,5 19,5 18

Водоотделение, см3 Water gain, cm3 0,5 0,2 0,4

Время схватывания,час Начало Start 12:20 8:10 18:00

Setting time, hour Конец End +8:40 +7:50 +9:45

Предел прочности на изгиб, МПа Bending strength, MPa

Через день In 1 day 3,7 3,8 3,7

Через 2 дня In 2 days 3,8 4,0 3,9

Через 7 дней In 7 days 4,1 4,1 4,2

Предел прочности на сжимаемость, МПа Compressing strength, MPa

Через день In 1 day 12,6 13,1 12,9

Через 2 дня In 2 days 15,9 16,9 16,1

Через 7 дней In 7 days 17,5 18,8 18,3

30

0

0 0,5 1 1,5 2 2,5

Концентрация СП, % Superplasticizer concentration, %

4 Влияние СП+Модификатор+МНЧ на растекаемость в нормальных условиях Superplasticizer (SP) influence + modifier + metal nanoparticles (MNP) on the spreadability under normal conditions

♦ Влияние СП+Модификатор+МНЧ на растекаемость в режиме КЦЗ через 3 часа SP influence + modifier + SP for spreadability under КЦ-3 mode in 3 hours

♦ Влияние СП на растекаемость в режиме КЦ 3 через 3 часа

SP spreadability influence the spreadability under КЦ-3 mode in 3 hours

Рис. 3. Диаграмма влияния суперпластификатора (СП), модификатора и наночастиц в разных средах на растекаемость

Fig. 3. Diagram of superplasticizer (SP), modifier and nanoparticles influence in different media on the spreadability.

БУРЕНИЕ

Таблица 3. Коллекторские свойства образца цементного камня после добавления суперпластификатора, модификатора и Cu-наночастиц Table 3. Reservoir properties of cement stone sample after the addition of the superpLasticizer, modifier and Cu-nanoparticLe

№ No. Коллекторские свойства образца цементного камня Reservoir properties of cement stone sample Образец 4 Sample No. 4 Образец 5 Sample No. 5 Образец 6 Sample No. 6

1 Проницаемость, мД Permeability, mD 2,5 0,88 2,1

2 Пористость, % Porosity, % 8,5 9 7,8

о

012345678

Сутки Day

Предел прочности на изгиб после добавления нового состава Bending strength after new composition addition ■•■ Предел прочности на сжатие после добавления нового состава Compressing strength after new solution addition Предел прочности на изгиб после добавления МНЧ к новому составу Bending strength after new addition MNP to new solution -ф Предел прочности на сжатие после добавления МНЧ к новому составу Compressing strength after new addition MNP to new solution

Рис. 4. Диаграмма влияния суперпластификатора, модификатора и наночастиц на прочностные характеристики

Fig. 4. Diagram of superpLasticizer, modifier and nano particles influence on the characteristics of nanoparticLes

_Q

1-

U

О

X

\o

о (К

и X

о S

с го

и йе:

О

го 1—

S О

О) X

го 1—

X

S X О) £

о Q- О)

с

О

*=z

о

со

CL i— aj

■ Образец №4 Sample No. 4

Время в часах Time, hours

Образец №5 Sample No. 5

60

■ Образец №6 Sample No. 6

70

Рис 5. Диаграмма поглощающей способности образца цементного камня Fig. 5. Diagram of cement rock sample absorbing capacity

цементного камня после затвердевания, наряду с модификаторами к там-понажному раствору были добавлены металлические наночастицы (МНЧ) и изучено их влияние. Получены весьма интересные результаты (табл. 2) [1-2; 6-7].

Как видно из рисунка 3 (диаграмма 2), после трехчасового режима испытания тампонажного раствора на КЦ-3 расте-каемость составляет 16,0-19,5 см. При водоцементном отношении 0,6 после добавления суперпластификатора и модификатора на взятый тампонаж-ный цемент марки ПЦТ 1-100 прочность цементного камня на сжатие увеличилась на 15%, а на изгиб - на 25% (рис. 4, диаграммы 1-2). При добавлении МНЧ физико-механические свойства еще улучшились: прочность на сжатие увеличилась на 19%, прочность на изгиб - на 17% (рис. 4, диаграммы 3-4). Таким образом, показатели образца 5 в термобарической среде Р=50 МПа, Т=100 °С можно принять в качестве наилучшего варианта для проведения цементирования.

Проницаемость цементного камня после добавления суперпластификатора, модификатора и Си наночастиц варьирует в пределах 0-3 мД, что считается очень низкой проницаемостью (табл. 3) [10].

После полного высушивания при комнатной температуре в течение 20 дней образцы цементного камня выдерживали в пресной воде в течение 60 часов. В течение этого периода была изучена зависимость скорости абсорбции жидкости образцами от времени и построена диаграмма (рис. 5), из которой видно, что образцы 1, 2 и 3 через 36 часов поглощают соответственно 0,56; 0,62 и 0,67% жидкости, а в течение последующих 24 часов эти цифры оставались стабильными, т.е. на

30

№ 4 апрель 2016 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ

поверхности образца цементного камня проходил процесс гидрофобизации. Таким образом, подтверждена эффективность разработанной технологии при цементировании обсадных колонн в скважинах глубиной 3000-4000 м с термобарическими показателями Р=50 МПа, Т=100 °С.

ВЫВОДЫ:

1. При водоцементном отношении 0,6 при добавлении на тампонажный портландцемент ПЦТ 1-100 суперпластификатора растекаемость полученного раствора увеличилась на 15-20%, прочность на сжатие цементного камня - на 15%, прочность на изгиб - на 25%, а водоотделение уменьшилось на 70-75%.

2. После добавления наночастиц Си в вышеупомянутый состав реология цементного раствора и физико-меха-

Литература:

1. Юсифзаде Х.Б., Шахбазов Э.К, Кязимов Э.А. Нанотехнологии при бурении нефтяных и газовых скважин. Баку: Изд-во Маариф, 2014. С. 132-141.

2. Шамилов В.М., Исмаилов Ф.С., Гулиев И.Б. Облегченный тампонажный раствор. А/с 2014 0126, бюл. № 2, опубл. 29.02.2016.

3. Ткач Е.В. Модификаторы в строительной технологии: Учеб. пособие. Караганда: Изд-во КарГТУ, 2006. 156 с.

4. Багиров О.Э. Разработка технологических методов с целью повышения качества цементирования горизонтальных скважин: дис. ... канд. техн. наук. Баку, 1996. 116 с.

5. ГОСТ 26798.1-96 Цементы тампонажные. Методы испытаний.

6. Замчалин М.Н., Коровкин М.О., Ерошкина Н.А. Исследование влияния добавки бентонита на свойства раствора на основе композиционного цемента // Молодой ученый. 2015. № 13. С. 112-115.

7. Ушеров-Маршак А.В., Бабаевская Т.В., Циак Марек. Методологические аспекты современной технологии бетона. Режим доступа: http://betony.ru/ beton-i-zhb/2002_1/metodologicheskiye-aspekti.php. Дата обращения 27.04.2016.

8. Соловьев В.И., Ергешев Р.Б. Эффективные модифицированные бетоны. Алматы: КазГосИНТИ, 2000. 285 с.

9. Батраков В.Г., Иванов Ф.М., Силина Е.С., Фаликман В.Р. Применение суперпластификаторов в бетоне. М., 1982. 59 с.: ил.

10. Геологоразведка и геологоразведочное оборудование. Проницаемость горных пород пласта // Техническая библиотека Neftegaz.ru. Режим доступа: http://neftegaz.ru/tech_1ibrary/view/4601. Дата обращения: 27.04.2016.

References:

1. Usifzade Kh.B., Shakhbazov E.K., Kyazimov E.A. Nanotechnology in oil and gas wells drilling [Nanotehnologii pri burenii neftjanyh i gazovyh skvazhin]. Publishing house Maarif, Baku, 2014, P. 132-141.

2. Shamilov V.M., Ismailov F.S., Guliev I.B. Lightweight cement slurry [Oblegchennyj tamponazhnyj rastvor]. Author's Certificate 2014 0126, bul. No.2, published on 29.02.2016.

3. Tkach Ye.V. Modifiers in construction technology [Modifikatory v stroitel'noj tehnologii]. Textbook. KarGTU Publishing House, Karaganda, 2006, 156 pp.

4. Bagirov O.E. Development of process methods to improve the quality of horizontal wells cementing [Razrabotka tehnologicheskih metodov s cel'ju povyshenija kachestva cementirovanija gorizontal'nyh skvazhin]: thesis ... Candidate of Science (Engineering). Baku, 1996, 116 pp.

5. GOST 26798.1-96 Tamping cements. Test methods [Cementy tamponazhnye. Metody ispytanij].

6. Zamchalin M.N., Korovkin M.O., Yeroshkina N.A. Investigation of the bentonite additive influence on properties of the solution with a composite cement basis [Issledovanie vlijanija dobavki bentonita na svojstva rastvora na osnove kompozicionnogo cementa]. Molodoj uchenyj = Young scientist, 2015, No. 13, P. 112-115.

7. Usherov-Marshak A.V., Babaevskaya T.V., Tsiak Marek. Methodological aspects of modern concrete technology [Metodologicheskie aspekty sovremennoj tehnologii betona]. Access mode: http://betony.ru/beton-i-zhb/2002_1/metodologicheskiye-aspekti.php. Application date 27.04.2016

8. Solovyev V.I., Yergeshev R.B. Effective modified concrete [Jeffektivnye modificirovannye betony]. KazGoslNTI, Almaty, 2000, 285 pp.

9. Batrakov V.G., Ivanov F.M., Silina Ye.S., Falikman V.R. The use of superplasticizers in concrete [Primenenie superplastifikatorov v betone]. Moscow, 1982, 59 p., ill.

10. Geological exploration and equipment. The permeability of the rock formation [Geologorazvedka i geologorazvedochnoe oborudovanie. Pronicaemost' gornyh porod plasta]. Tehnicheskaja biblioteka Neftegaz.ru = Technical Library Neftegaz.ru. Access mode: http://neftegaz.ru/ tech_library/view/4601. Application date 27.04.2016.

нические свойства цементного камня еще усовершенствовались (растекаемость полученного раствора увеличилась на 5-6%, прочность на сжатие цементного камня - на 19%, на изгиб - на 17%).

3. Проницаемость полученного цементного камня является минимальной.

4. Полученный цементный камень имеет гидрофобную поверхность.

5. Устойчив к агрессивным пластовым водам,бактериям и коррозии.