Исследование фильтрационных свойств тампонажных растворов



В данной работе представлено краткое описание важности качественного процесса цементирования. Рассмотрен ряд реагентов, регулирующих фильтрацию цементного раствора.

Цементирование, бурение, водоотделение, цемент, реагент

При строительстве скважин один из основных этапов является крепление скважин. Данный этап состоит из спуска обсадной колонны и дальнейшего его цементирования. Это позволит избежать обрушения скважины, сохранить коллекторские свойства продуктивных пластов и формировать герметичный и долговечный изоляционный комплекс крепи скважин, надежно разобщающий флюидосодержащие пласты [1, c. 5].

Важность качественного цементирования обусловлена тем, что это заключительный этап строительства скважин, поэтому неудачи при его выполнении могут свести к минимуму ожидаемый эффект, стать причиной неправильной оценки перспективности разведываемых площадей, появления «новых» залежей нефти и особенно газа в коллекторах, перетоков флюидов, грифонообразования, газопроявлений и т. д. Стоимость скважин, особенно глубоких, высока, а ущерб от некачественного их крепления, может быть еще большим. Процесс цементирования скважин — операция необратимая, ремонт и восстановление их связаны со значительными затратами средств и времени.

Широко распространенные в настоящее время технологии первичного вскрытия и разобщения пластов не во всех случаях обеспечивают необходимую сохранность их коллекторских свойств на этапах заканчивания скважин. Особенно эта проблема актуальна применительно к цементированию эксплуатационных колонн, когда загрязнение продуктивных пластов происходит фильтратом тампонажных растворов. Все это приводит к дополнительным затратам на восстановление проницаемости пластов и достижение потенциального дебита скважин, к снижению объема добываемой продукции [3, c. 7].

Наиболее перспективным направлением предупреждения загрязнения продуктивных пластов при их креплении является снижение водоотдачи тампонажных материалов.

Когда тампонажный раствор закачивается в скважину, перепад давления между раствором и пластом приводит к фильтрации. Жидкая фаза цементного раствора проникает в пласт, оставляя позади твердые частицы. В зависимости от относительной важности эрозионных сил во время течения жидкости и сил прилипания, вызванных фильтрацией, твердые частицы могут образовывать внешнюю фильтрационную корку на стенке скважины или остаются во взвешенном состоянии в цементном растворе. Небольшое количество твердых частиц может также проникнуть в более крупные поры пласта, создавая внутреннюю корку [1, c. 15].

Во время первичного цементирования, цементный раствор движется вдоль стенки скважины, и происходит динамический процесс фильтрации. В большинстве случаев, буровой раствор, буферная жидкость сталкиваются с пластом, прежде чем цементный раствор; таким образом, уже произошла некоторая фильтрация. Позже, когда закачка прекращается, происходит статический период фильтрации. Во время вторичного цементирования, процесс фильтрации в основном статический.

Недостаточное количество управления водоотдачи может быть ответственным за неудачи первичного цементирования вследствие чрезмерного увеличения вязкости в суспензии при закачке, закупоривание пор твердыми частицами, или ускоренное снижение давления во время ОЗЦ. Кроме того, проникновение фильтрата цемента в пласт может привести к повреждению и сокращению производства [1, c. 54]. С другой стороны, процесс водоотдачи может иметь некоторые положительные эффекты, такие как повышение прочности сцепления и увеличение давления гидроразрыва. Но они обычно не перевешивают недостатки.

На протяжении многих десятилетий применяется методика добавления специальных реагентов, регулирующих водоотдачу цементного раствора, и в промышленности уже давно признано, что они могут существенно улучшить качество как первичного, так и вторичного цементирования. Различные простые критерии фильтрации уже давно используются, чтобы обеспечить необходимый уровень управления водоотдачей, для достижения хороших результатов цементирования [2, c. 20].

Методика экспериментальных исследовании заключается в проведении опытов с тампонажными растворами с различными добавками, до достижения наименьшей водоотдачи.

Водоотдачу цементного раствора считают «низкой», если объем фильтрата, выделившегося за 30 мин, не превышает 50 см³, и «средней», когда за 30 мин выделяется фильтрата больше 50 и меньше 500 см³.

На практике, с достаточной точностью и относительно просто, водоотдачу можно оценивать по прибору ВМ-6, который предназначен для измерения показателя фильтрации (ПФ) глинистых растворов.

Условная водоотдача за 30 мин значительно превышает количество воды, содержащейся в испытуемой пробе цементного раствора. У обычных цементных растворов, приготовленных на основе стандартного тампонажного портландцемента, условная водоотдача находится обычно в пределах 300–500 см³ за 30 мин.

В представленной работе были использованы портландцемент, а также такие добавки, как полиэлектролит ВПК-402 и полиакрилат PAG.

Полиэлектролит ВПК-402 выглядит как бесцветная или с желтым оттенком однородная жидкость без посторонних добавок и примесей, используется в роли коагулянта и диспергатора (для снижения вязкости дисперсных систем на водной основе с высокой концентрацией).

PAG — представляет собой белый или желтоватый сыпучий гранулированный порошок, обеспечивающий высокую эффективность образования флоккул в мелкодисперсной среде с отрицательно заряженными частицами.

Первоначально при проведении экспериментов по определению растекаемости и показателя фильтрации цементного раствора был использован тампонажный цемент ПЦТ — 1–50 и понизитель фильтрации ВПК — 402 при В/Ц=0,5. Результаты экспериментов показаны в таблице 1.

Таблица1

Значения растекаемости ипоказателя фильтрации ВПК— 402

Параметры	Концентрация ВПК— 402,%
	0	1	2	3	4	5	6	7
2R, см	24	22	19	18	19	20	21	22
ПФ, см3	275	250	164	132	120	94	71	46

Рис. 1. График зависимости растекаемости цементного раствора от концентрации ВПК — 402

Растекаемость тампонажного раствора с В/Ц=0,5 при концентрации ВПК — 402 от 0 до 3,0 % снижается от 25 до 18 см, но при повышении концентрации ВПК — 402 более 3 % увеличивается. Раствор, содержащий 7 % ВПК — 402, имеет растекаемость 22 см. Это означает, что при использовании ВПК — 402 не требуется применения каких либо специальных химических реагентов, регулирующих подвижность тампонажных растворов.

Рис. 2. График зависимости показателя фильтрации цементного раствора от концентрации ВПК — 402

В результате исследований выяснилось, что с увеличением концентрации ВПК — 402 показатель фильтрации цементного раствора снижается.

По результатам исследовании ВПК — 402 показал хорошие результаты. Недостатком данного реагента ВПК — 402 является то, что он в жидком виде и на производстве доставляет неудобства при транспортировке и при приготовлении тампонажного раствора. Его необходимо вводить в жидкость затворения. Это привело к поиску аналога данного реагента в сухом виде. Далее были проведены изучения влияния реагента PAG на свойства цементного раствора и камня. Для проведения исследований использовался портландцемент тампонажный ПЦТ — G и рассматривались три способа приготовления раствора при разных водоцементных отношениях:

– добавление реагента PAG в сухом виде в цемент (далее 1);

– предварительный пропуск цемента и исследуемого реагента PAG в необходимом количестве через дезинтегратор (далее 2). При применении дезинтеграторной технологии существует вероятность механической деструкции применяемого реагента. Для проверки устойчивости PAG на механическое разрушение был проведен опыт при различных оборотах дезинтегратора. Результаты показаны в таблице2.

– предварительное растворение PAG в воде (далее 3).

Таблица 2

Результаты исследования влияния концентрации PAG на водоотдачу ирастекаемость тампонажного раствора при различных оборотах дезинтегратора

Состав	2R, см	ПФ, см3
ПЦТ + PAG(0,1 %) — 2500 об/мин	16	103
ПЦТ + PAG(0,1 %) — 5000 об/мин	19	65
ПЦТ + PAG(0,1 %) — 7500 об/мин	16	65
ПЦТ + PAG(0,1 %) — 10000 об/мин	12	60

Анализируя данные можно сделать вывод о том, что эффективность применения исследуемого реагента больше при частоте вращения дезинтегратора 5000 об/мин.

Результаты экспериментов по определению водоотдачи цементного раствора показаны в таблицах 3,

Таблица 3

Значения показателя фильтрации цементного раствора при В/Ц=0,5

Способ ввода PAG	Концентрация PAG (от веса сухой массы),%
	0	0,025	0,05	0,075	0,1	0,125	0,15
1	217	196	155	123	93	79	64
2	175	162	134	80	65	49	40
3	217	181	121	81	69	48	39

Рис. 3. График зависимости показателя фильтрации цементного раствора от концентрации реагента (PAG) при В/Ц=0,5

Основные выводы и рекомендации:

– понизители водоотдачи тампонажных растворов объемных условиях должны в затрубном пространстве отвечать всем требованиям технологии цементирования, а в пористой среде блокировать поровые каналы, снижая тем самым объем фильтрата в приствольной области и степень загрязнения;

– при снижении водоотдачи самый лучший эффект достигается при комбинировании методов регулирования фильтрационными свойствами тампонажных растворов, т. е. ввод в цементный раствор добавок, связывающих свободную воду затворения и увеличение удельной поверхности;

– при снижении фильтрации тампонажного раствора реагент ВПК — 402 показал хорошие результаты. Однако ВПК — 402 представлен в жидком виде, что вызывает трудности при транспортировке и при приготовлении тампонажного раствора;

– реагент PAG, который является сухим аналогом ВПК — 402 позволяет получить тампонажные растворы с пониженной водоотдачей. При этом для достижения этой цели по количеству потребуется в 70 раз меньше PAG по сравнению с ВПК — 402, что в свою очередь дает положительный экономический эффект от применения.

Литература:

1. Агзамов, Ф.А., Б. С. Измухамбетов, Э. Ф. Токунова. Химия тампонажных и промывочных растворов:учеб. пособие/ — СПб.: ООО «Недра», 2011.-268с.
2. Ахмадеев Р. Г., Данюшевский В. С. Химия промывочных и тампонажных жидкостей: учеб. пособие/ -Москва: ООО «Недра», 1981.-152с.
3. Султанов Б. Д., Логинова М. Е. Влияние добавок на реологические свойства буровых и тампонажных растворов// Международный научно-технический журнал «Теория. Практика. Инновации». 2017, № 12 (24), с.222 -226