CC BY
12
УДК 622.24
https://doi.org/10.24412/0131-4270-2022-3-4-51-55
ОПТИМИЗАЦИЯ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТАМПОНАЖНОГО МАТЕРИАЛА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФУНКЦИИ ЖЕЛАТЕЛЬНОСТИ
OPTIMIZATION OF RHEOLOGICAL PROPERTIES OF GROUTING MATERIAL USING THE DESIRABILITY FUNCTION
Логинова М.Е., Агзамов Ф.А., Исмаков Р.А., Аль-сухили М.Х., Бабкина А.А.
Уфимский государственный нефтяной технический университет, 450062, г. Уфа, Россия
ORCID: http://orcid.org/0000-0001-7077-8705, E-mail: ufamel@yandex.ru
ORCID: http://orcid.org/0000-0001-5850-5261, E-mail: faritag@yandex.ru
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7544-922X,
E-mail: ismakovrustem@gmail.com
ORCID: http://orcid.org/0000-0002-7355-5504,
E-mail: mohammed_15b@hotmail.com
E-mail: anna.babkina02@mail.ru
Резюме: Решение о выборе тампонажного материала зависит от многих показателей. В работе на примерах рассмотрено установление оптимальности качества составов цементного камня, которая сводится к выбору такой их рецептуры по реологическим свойствам, у которых обобщенная желательность была наибольшая в сравнении с остальными. Этот метод позволяет выбирать лучшую из исследованных рецептур. В работе применен статистический подход и построены соответствующие уравнения для определения основных факторов реологических свойств тампонажного материала и цементного камня.
Ключевые слова: функция желательности, тампонажный материал, цементный камень, реологические свойства, показатели качества, частные показатели.
Для цитирования: Логинова М.Е., Агзамов Ф.А., Исмаков Р.А., Аль-сухили М.Х., Бабкина А.А. Оптимизация реологических свойств тампонажного материала с использованием функции желательности // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2022. № 3-4. С. 51-55.
D0I:10.24412/0131-4270-2022-3-4-51-55
Благодарность: Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта по гранту № 1929-07471 мк.
Loginova Marianna E., Agzamov Farit A., Ismakov Rustem A., Al-sukhili Mohammed, Babkina Anna A.
Ufa State Petroleum Technological University, 450062, Ufa, Russia ORCID: http://orcid.org/0000-0001-7077-8705, E-mail: ufamel@yandex.ru ORCID: http://orcid.org/0000-0001-5850-5261, E-mail: faritag@yandex.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7544-922X, E-mail: ismakovrustem@gmail.com ORCID: http://orcid.org/0000-0002-7355-5504, E-mail: mohammed_15b@hotmail.com E-mail: anna.babkina02@mail.ru
Abstract: The decision on the choice of grouting material depends on many indica-tors. In the work, the establishment of the optimality of the quality of cement stone compositions is considered by examples, which boils down to the choice of their formulation according to rheological properties, in which the generalized desirability was the greatest in comparison with the rest. This method allows you to choose the best of the studied recipes. The statistical approach is applied and the corresponding equations are constructed to determine the main factors of rheological properties of grouting material and cement stone.
Keywords: desirability function, grouting material, cement stone, rheological proper-ties, quality indicators, particular indicators.
For citation: Loginova M.E., Agzamov F.A., Ismakov R.A., Al-sukhili M.KH., Babkina A.A. OP-TIMIZATION OF RHEOLOGICAL PROPERTIES OF GROUTING MATERIAL USING THE DESIRABILITY FUNCTION. Transport and storage of Oil Products and hydrocarbons, 2022, no. 3-4, pp. 51-55.
DOI:10.24412/0131-4270-2022-3-4-51-55
Acknowledgments: The reported study was funded by RFBR according to the re-search project No 19-29-07471 mk.
Этот достаточно эффективный метод, получивший широкое применение, заключается в преобразовании п значений частных показателей Y1, Y2,...Y/, ,Уп, полученных в результате экспериментов и характеризующих определенные свойства материала, изделия или процесса, в безразмерные частные желательности d1, d2,...d/, dn, устанавливающие степень соответствия этих показателей некоторым выбранным нормам, а по ним - в обобщенные желательности D1, D2,...D/, Рп, характеризующие качество материала, изделия или процесса в совокупности [1].
Процедура преобразования частных показателей в частные желательности осуществляется при этом путем введения для каждого частного показателя Y| некоторой преобразующей функции У'. Вид последней выбирается
с таким расчетом, чтобы наиболее желательные значения частных показателей обеспечивали большие вклады в частные желательности. И напротив, если какой-то параметр будет иметь неприемлемое значение, то он должен приводить к резкому уменьшению его частной желательности. Вид преобразующей функции и функции частной желательности для каждого частного показателя выбирается также с учетом типа показателя, на значения которого накладывается ограничение - одностороннее или двустороннее.
Так, чем качественнее буровой раствор, тем ниже будут его показатель фильтрации, содержание песка, толщина фильтрационной корки. Следовательно, указанные показатели будут параметрами с односторонним ограничением,
причем тип ограничения будет сверху. Такие показатели, как статическое напряжение сдвига, рН раствора, будут параметрами с двусторонним ограничением, ибо и слишком высокие, и слишком низкие их значения не будут отвечать требованиям технологии бурения. А такой параметр, как структурная вязкость раствора, ситуативно, то есть в зависимости от его важности в конкретной ситуации может быть отнесен или к параметрам с односторонним, или с двусторонним ограничением, поскольку вязкость влияет на поведение бурового раствора одновременно со многих сторон: отражает его несущую способность, потери давления и мощности в циркуляционной системе буровой, а также фильтрационные процессы между скважиной и пластами [1]. С увеличением вязкости раствора улучшается вынос шлама, однако при этом увеличиваются потери давления и мощности в циркуляционной системе; в одних случаях это может привести к усилению, а в других - к снижению фильтрационных процессов.
Отправным моментом при использовании функции желательности является так называемая психофизическая шкала, которая призвана установить соответствие между численным значением каждого частного показателя и его желательностью. При этом за наименьшую желательность принят 0, за наибольшую желательность - 1, а весь этот интервал разбит на пять диапазонов, как это показано в табл. 1.
Подбор качественного и количественного состава осуществляли с использованием функции желательности Харрингтона. Суть метода состоит в том, что для каждого частного свойства у вычисляется частная желательность которая находится в диапазоне от 0 до 1. Значение di, равное 1, характеризует самое лучшее значение свойства, в то время как значение 0 - абсолютно неприемлемый уровень данного свойства. В рамках настоящей работы принято одностороннее ограничение частных желатель-ностей, таким образом, значение di, равное 0,37, соответствует нижней границе допустимых значений d = в~е~у. При наличии нескольких параметров с требуемыми свойствами приступают к построению обобщенной желательности (О), которая выражается как среднее геометрическое частных желательностей:
Таблица 1
Психофизическая шкала желательности показателей
D--
№.
(1)
Числовые значения параметров (х) в безразмерные (у) переводят по формуле
качества
Качество частного показателя Численное значение желательности частного показателя
Очень плохое 0,00.. .0,20
Плохое 0,20.. .0,37
Удовлетворительное 0,37.0,63
Хорошее 0,63.0,80
Очень хорошее 0,80.1,00
Далее устанавливаем соответствие выбранным значениям показателей значения их желательностей.
Анализу по предложенной методике [2] были подвергнуты рецептуры тампонажных материалов (табл. 2-6), где В/Ц -водоцементное соотношение, ПВ - пластическая вязкость, ДНС - динамическое напряжение сдвига, СНС - статистическое напряжение сдвига. В табл. 2 представлены полученные функции перехода.
Частные коэффициенты, пересчитанные в обобщенные коэффициенты систем, позволяют с математической точностью судить об их преимуществах и недостатках. Можно также оценивать перспективы изменений и дальнейшего развития тех или иных свойств. Например, если коэффициент системы располагается от О = 0,2 до О = 0,8, то даже относительно небольшая модернизация (улучшение одно-го-двух параметров) может существенно увеличить ее желательность. При этом возможности дальнейшего развития очень велики, а если коэффициент О < 0,2, то можно подтянуть те или иные свойства, но необходимо затратить много времени и сил, поэтому целесообразнее подумать об их замене.
Таким образом, анализируя частные коэффициенты желательности конкретных параметров, можно оценить возможности и пути модернизации данной системы [3].
В таблицах рецептов, под значениями величин стоят частные желательности, исходя из рекомендуемых параметров [1, 4] тампонажного материала. Проведен анализ качественного и количественного рецептов состава тампонаж-ных материалов с использованием функции желательности
Y = а0 + а1х,
(2)
Таблица 2
Результаты определения преобразующих функций для показателей качества с двусторонним ограничением реологических свойств
где а0 и а1 - коэффициенты линейной функции.
В соответствии с вышеизложенной методикой прежде всего устанавливаем типы ограничений на все приведенные реологические показатели качества раствора - камня, которые определяются технологией и качеством цементирования скважины.
Принятые ограничения позволяют установить удовлетворительную оценку желательности показателей.
Показатели качества цементного раствора и камня Обозначения Преобразующие функции Показатель степени
ПВ, мПас V 1 5 Y1' = — х1 — 1 20 1 2 п = 1,24
ДНС, с у2 = 5 х2 - з п = 1,53
СНС, 10 с ^ = 2 х3 - 5 5 п = 0,47
СНС, 10 мин Y4 = 2 х4 - 5 5 п = 0,65
Таблица 3
Рецепт 1
Реология Общая
Состав В/Ц ПВ, мПас ДНС, Па желательность, о
Инин
Чистый ПЦ 0,5 51,45 8,857 5 9 0,31
0,962 0,253 0,186 0,287
Чистый ПЦ 0,7 14,11 1,405 1 4 0,64
0,126 0,009 0,128 0,107
ПЦ + 15% Микросфера 0,7 14,686 0,131 0,167 0,05 1 0,128 4 0,107 0,055
ПЦ + 15% Микросфера + 0,1% 5010 0,7 14,959 0,133 1,109 0,08 2 0,14 5 0,127 0,06
ПЦ + 15 % Микросфера + 0,1% Vinnapas 5010 + 0,25% Базальтоваяфибра 6 мм 0,7 4,454 0,06 2,986 0,022 7 0,234 7 0,186 0,08
ПЦ + 15% Микросфера + 0,1% Vinnapas 5010 + 0,25% Гранулированное волокно 0,7 21,602 0,212 5,117 0,058 11 0,455 10 0,367 0,213
ПЦ + 15% Микросфера + 0,1 % Vinnapas 5010 + 0,5% Гранулированное волокно 0,7 46,197 0,88 4,873 0,052 5 0,186 12 0,706 0,279
ПЦ + 15% Микросфера + 0,1% Vinnapas 5010 + 0,75% Гранулированное волокно 0,7 49,742 0,99 6,426 0,108 13 0,625 10 0,367 0,39
ПЦ + 15% Микросфера + 0,1% Vinnapas 5010 + 1% Гранулированное волокно 0,7 63,069 0,55 5,63 0,073 5 0,186 9 0,287 0,22
ПЦ + 15 % Микросфера + 0,1% Vinnapas 5010 + 0,25% ВСМ 6 мм 0,7 8,64 0,084 1,272 0,009 6 0,208 7 0,186 0,074
I Таблица 4
Рецепт 2
Реология Общая
Состав В/Ц СНС10 ПВ, мПа-с ДНС, Па СНС10 с, Па „ мин, Па желательность. о
Чистый ПЦ 0,5 51,45 0,96 8,857 0,253 5 0,187 9 0,288 0.34
„ 0,7 14,11 1,405 1 4 0.064
Чистый ПЦ 0,125 0,009 0,128 0,11
ПЦ + 5,5% Пеностекло 0,7 15,742 0,14 0,528 0,006 1 0,128 3 0,09 0.056
ПЦ + 5,5% Пеностекло + 0, 15% Vinnapas 5010 0,7 2,23 0,05 6,879 0,122 1 0,128 3 0,09 0.09
ПЦ + 5,5% Пеностекло + 0, 15% Vinnapas 5010 + 0,25% Базальтовая фибра 6 мм 0,7 14,048 0,125 0,751 0,006 1 0,128 3 0,09 0.05
ПЦ + 5,5% Пеностекло + 0, 15% Vinnapas 5010 + 0,25% Гранулированное волокно 0,7 15,175 0,13 3,818 0,033 4 0,169 5 0,129 0.09
ПЦ + 5,5% Пеностекло + 0, 15% Vinnapas 5010 + 0,5% Гранулированное волокно 0,7 42,31 0,73 4,333 0,041 6 0,21 10 0,367 0.22
ПЦ + 5,5% Пеностекло + 0, 15% Vinnapas 5010 + 0,75% Гранулированное волокно 0,7 40,561 0,27 5,181 0,06 15 0,367 24 0,067 0.178
ПЦ + 5,5% Пеностекло + 0, 15% Vinnapas 5010 + 1% Гранулированное волокно 0,7 36,501 0,54 7,351 0,147 15 0,367 19 0,155 0.26
ПЦ + 5,5% Пеностекло + 0, 15% Vinnapas 5010 + 0,25% ВСМ 6 мм 0,5 51,45 0,96 8,857 0,253 5 0,187 9 0,288 0.34
Таблица 5
Рецепт 3
Реология Общая
Состав В/Ц ПВ, мПас ДНС, Па СНС10 с, Па желательность, 0
Чистый ПЦ 0,5 54,913 0,84 4,192 0,038 5 0,187 8 0,231 0,19
Чистый ПЦ
0,7
18,18 0,167
1,891 0,012
1 0,128
4
0,109
0,07
ПЦ + 15% Микросфера+ 10% РД 0,7 18,316 0,196 1,439 0,01 1 0,128 3 0,09 0,067
ПЦ + 15% Микросфера + 10% РД + 0, 1% Vinnapas 5010 0,7 24,12 0,206 1,589 0,01 1 0,128 3 0,09 0,072
ПЦ + 15% Микросфера + 10% РД + 0, 1% Vinnapas 5010 + 0,25% Базальтоваяфибра 6 мм 0,7 12,623 0,113 2,68 0,02 3 0,154 4 0,109 0,077
ПЦ + 15% Микросфера + 10% РД + 0, 1% Vinnapas 5010 + 0,25% Гранулированное волокно 0,7 33,579 0,46 4,189 0,04 4 0,169 6 0,155 0,15
ПЦ + 15% Микросфера + 10% РД + 0, 1% Vinnapas 5010 + 0,5% Гранулированное волокно 0,7 41,163 0,69 4,795 0,05 4 0,169 7 0,188 0,18
ПЦ + 15% Микросфера + 10% РД + 0, 1% Vinnapas 5010 + 0,75% Гранулированное волокно 0,7 31,077 0,39 6,845 0,12 7 0,234 10 0,367 0,25
ПЦ + 15% Микросфера + 10% РД + 0, 1% Vinnapas 5010 + 1% Гранулированное волокно 0,7 38,007 0,59 5,392 0,066 4 0,169 7 0,188 0,18
ПЦ + 15% Микросфера + 10% РД + 0, 1% Vinnapas 5010 + 0,25% ВСМ 6 мм 0,7 12,088 0,108 2,569 0,02 2 0,14 3 0,09 0,07
Таблица 6
Рецепт 4
Реология Общая
Состав В/Ц ПВ, мПас ДНС, Па СНС10 с, Па М™™^ желательность, 0
Чистый ПЦ 0,5 54,913 4,192 5 8 0,23
0,84 0,07 0,187 0,23
Чистый ПЦ 0,7 18,18 1,891 1 4 0,07
0,168 0,01 0,128 0,11
ПЦ + 5,5% Пеностекло 0,7 15,927 0,143 0,868 0,007 1 0,128 3 0,09 0,059
ПЦ + 5,5% Пеностекло + 10% РД 0,7 16,685 0,151 5,466 0,07 3 0,154 5 0,129 0,11
ПЦ + 5,5% Пеностекло + 10% РД + 0, 15% Vinnapas 5010 0,7 15,112 0,135 1,897 0,013 3 0,625 4 0,109 0,104
ПЦ + 5,5% Пеностекло + 10% РД + 0, 15% Vinnapas 5010 + 0,25% Базальтоваяфибра 6 мм 0,7 9,795 0,09 2,236 0,015 1 0,128 4 0,109 0,06
ПЦ + 5,5% Пеностекло+ 10% РД + 0, 15% Vinnapas 5010 + 0,25% Гранулированное волокно 0,7 17,785 0,163 10,69 0,45 6 0,169 10 0,367 0,26
ПЦ + 5,5% Пеностекло+ 10% РД + 0, 15% Vinnapas 5010 + 0,5% Гранулированное волокно 0,7 25,135 0,269 0,215 0,005 7 0,234 10 0,367 0,106
ПЦ + 5,5% Пеностекло+ 10% РД + 0, 15% Vinnapas 5010 + 0,75% Гранулированное волокно 0,7 44,213 0,81 7,742 0,17 9 0,31 12 0,704 0,41
ПЦ + 5,5% Пеностекло+ 10% РД + 0, 15% Vinnapas 5010 + 1% Гранулированное волокно 0,7 38,168 0,595 9,844 0,35 6 0,21 9 0,28 0,33
Харрингтона. Как можно наблюдать из представленных таблиц, только два рецепта (выделенны в таб. 3 и табл. 6)
из 48 по реологическим характеристикам удовлетворительными.
<получились»
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Агзамов Ф.А., Токунова Э.Ф., Комлева С.Ф. О требованиях к тампонаж-ным материалам и технологии крепления для обсадных колонн, работа-ющих в экстремальных условиях / Матер. I Межд. науч.-практ. конф. «Булатовские чтения». Т. 3. 2017. С. 22-29.
2. Пичкалев А.В. Обобщенная функция желательности Харрингтона для сравнительного анализа технических средств // Исследования наукограда. 2012. № 1. С. 25-28.
3. Эфендиева А.Т., Гафарова С.Г. Анализ факторов, определяющих эффек-тивность разработки нефтегазовых месторождений // Вестник науки То-льяттинского государственного университета. Серия: Экономика и управление. 2014. № 2(17). С. 64-67.
4. Логинова М.Е. Математическая модель подбора реологических свойств тампонажного материала / Тезисы докл. Всероссийской науч.-техн. конф., посвященной 70-летию УГНТУ. Уфа: Изд-во УГНТУ. 2018. С. 41.
REFERENCES
1. Agzamov F.A., Tokunova E.F., Komleva S.F. O trebovaniyakh k tampona-zhnym materialam i tekhnologii krepleniya dlya obsadnykh kolonn, rabotay-ushchikh v ekstremal'nykh usloviyakh [On the requirements for grouting mate-rials and fastening technology for casing strings operating in extreme condi-tions]. Trudy I Mezhd. nauch.-prakt. konf. «Bulatovskiye chteniya». T. 3 [Proc. of I Intl. scientific-practical. conf. «Bulatov Readings». Vol. 3]. 2017, pp. 22-29.
2. Pichkalev A.V. Harrington's generalized desirability function for comparative analysis of technical means. Issledovaniya naukograda, 2012, no. 1, pp. 25-28 (In Russian).
3. Efendiyeva A.T., Gafarova S.G. Analysis of the factors that determine the effi-ciency of oil and gas field development. Vestnik nauki Tol'yattinskogo gosu-darstvennogo universiteta, 2014, no. 2(17), pp. 64-67 (In Russian).
4. Loginova M.YE. Matematicheskaya model' podbora reologicheskikh svoystv tamponazhnogo materiala [Mathematical model for the selection of rheological properties of grouting material]. Trudy Vserossiyskoy nauch.-tekhn. konf., posvyashchennoy 70-letiyu UGNTU [Proc. of All-Russian Scientific and Tech-nical Conf. dedicated to the 70th anniversary of USPTU]. Ufa, 2018, p. 41.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Логинова Марианна Евгеньевна, к.ф.-м.н., доцент кафедры бурения нефтяных и газовых скважин, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Агзамов Фарит Акрамович, д.т.н., профессор кафедры бурения нефтяных и газовых скважин, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Исмаков Рустэм Адипович, д.т.н., проф., завкафедрой бурения нефтяных и га-зовых скважин, Уфимский государственный нефтяной технический универси-тет.
Аль-сухили Мохаммед Хамуд Абду, асмстент кафедры бурения нефтяных и газовых скважин, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Бабкина Анна Андреевна, бакалавр, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Marianna E. Loginova, Cand. Sci. (Ph.-m.), Assoc. Prof. of the Department
of Oil and Gas Well Drilling, Ufa State Petroleum Technological University.
Farit A. Agzamov, Dr. Sci. (Tech.), Prof. of the Department of Oil and Gas
Well Drilling, Ufa State Petroleum Technological University.
Rustem A. Ismakov, Dr. Sci. (Tech.), Prof., Head of the Department of Oil
and Gas Well Drilling, Ufa State Petroleum Technological University.
Mohammed Al-sukhili, Assistant of the Department of Oil and Gas Well
Drilling, Ufa State Petroleum Technological University.
Anna A. Babkina, Bachelor, Ufa State Petroleum Technological University.
