Розроблення армованого тампонажного матеріалу для цементування свердловин (на прикладі родовищ північно-західного шельфу Чорного моря)

Abstract

Дисертаційна робота присвячена розробленню армованого тампонажного матеріалу для цементування свердловин на родовищах північно-західного шельфу Чорного моря. Оптимізацію складу цементної суміші з підвищеними деформаційними властивостями тампонажного каменю проведено з метою забезпечення надійності кріплення свердловини. Проаналізовано геолого-технічні умови спорудження та стан якості цементування свердловин на родовищах північно-західного шельфу Чорного моря. Охарактеризовано існуючі армовані тампонажні системи та критерії їхнього вибору у відповідності до умов буріння свердловини. Досліджено вплив мінеральних та синтетичних домішок на властивості тампонажного каменю, розроблено критерії оцінки властивостей розчину та каменю. На основі методики раціонального планування експериментів реалізовано перший етап вибору компонентного складу армованого тампонажного матеріалу з використанням розроблених критеріїв оцінки та норм ДСТУ. Оптимізацію рецептури виконано шляхом проведення додаткових експериментальних досліджень в межах розробленого компонентного складу. За допомогою розроблених лабораторних установок оцінено вплив армованого тампонажного матеріалу на герметичність його контактних поверхонь з обсадною колоною та стінкою свердловини. З використанням сучасних методів рентгенівського, електронного та термічного аналізу встановлено особливості структуроутворення та комплексної взаємодії армуючої та хімічної домішки в нормальних та пластових умовах тверднення. Розроблено та передано до впровадження підприємству ПАТ «ДАТ «Чорноморнафтогаз» технологію приготування армованого тампонажного розчину, схему вдосконаленої модифікованої пробки та модернізованого перевідника з лівою різьбою для зменшення величини динамічних навантажень на цементне кільце в заколонному просторі свердловини, зниження ризику заклинювання долота та зменшення затрат на спорудження свердловини.

Диссертация посвящена вопросам разработки армированного тампонажного материала для цементирования скважин на месторождениях северо-западного шельфа Черного моря. Проведена оптимизация состава цементной смеси с повышенными деформационными способностями тампонажного камня с целью обеспечения герметичности крепи скважин. Проанализированы геолого-технические условия сооружения скважин и состояние качества их крепления на скважинах месторождений северо-западного шельфа Черного моря. В частности большинство скважин заканчиваются Либо традиционной обсадной колонной, либо фильтром-хвостовиком, которые перекрывают от двух до пяти продуктивных пластов. Вторичное раскрытие пластов осуществляется кумулятивной перфорацией одновременно нескольких пластов. Такое сочетание геолого-технических условий создает предпосылку к образованию перетоков флюида между пластами вследствие негативного влияния перфорации на герметичность цементного кольца в заколонном пространстве скважины. Изучены также другие факторы, влияющие на образование межколонных давлений после сдачи скважины в эксплуатацию. Аналитически-экспериментальным путем показано, что после опрессовки обсадных колон и разбуривания цементного стакана между колонной и цементным кольцом возникает зазор. Дано характеристику существующим армированным тампонажным системам и критериям их выбора в соответствии с условиями бурения скважин. Исследовано влияние минеральных и синтетических добавок на такие свойства тампонажного камня как прочность на сжатие и растяжение, ударостойкость. Для оценки свойств тампонажного раствора и камня, который работает в условиях скважин шельфа Черного моря, разработано следующие критерии: критерий деформационной способности и передачи энергии системы «тампонажный камень - обсадная колонна», критерий стойкости бурового раствора, критерий резистентности распространения трещины в тампонажном камне. На основании методики рационального планирования экспериментов осуществлено два этапа выбора компонентного состава армированного тампонажного материала. На первом этапе выбор производили с помощью разработанных критериев оценки и ГОСТов, а на втором - путем проведения дополнительных экспериментальных исследований в рамках разработанного компонентного состава. При помощи разработанных лабораторных установок оценено влияние армированного тампонажного материала на герметичность его контактных поверхностей с обсадной колонной и стенкой скважины. Установлено, что содержание в тампонажном камне полипропиленовой фибры и хлористого кальция в количестве 0,5 - 0,6% и 2 - 2,5% от массы сухого цемента соответственно позволяет повысить его прочность, резистентность к распространению трещин, уменьшить усадку в нормальных и пластовых условиях, снизить количество трещин во время контакта твердеющего тампонажного раствора с фильтрационной коркой бурового раствора. При использовании современных методов рентгеновского, электронного и термического анализов, установлено особенности структурообразования и комплексного взаимодействия армирующей и химической добавок в нормальных и пластовых условиях твердения. Разработаны и переданы к внедрению на предприятие государственного акционерного общества «Черноморнефтегаз» технология приготовления армированного тампонажного раствора, схема усовершенствованной модифицированной пробки и модернизированного переводника с левой резьбой для уменьшения динамических нагрузок на цементное кольцо в заколонном пространстве скважины, снижения риска заклинивания долота, улучшения контроля над процессом цементирования и уменьшения затрат на сооружение скважины.

The thesis is devoted to the development of the reinforced plugging material for well cementing at the reservoirs of the northwestern shelf of the Black Sea. To provide the reliability of the borehole lining, the optimization of the cementing mixture composition along with the abnormal strained features of the plugging stone has been performed. The geological-technical conditions of the construction and the quality state of well cementing have been analyzed at the reservoirs of the northwestern shelf of the Black Sea. The available reinforced plugging systems and the criteria of their selection according to the well drilling conditions have been characterized. The impact of the mineral and synthetic mixtures on the features of the plugging stone has been investigated. The estimation criteria of the slurry and the stone properties have been developed. Based on the efficient experiments planning, the first stage of the reinforced plugging material component composition along with the application of the developed estimation criteria and State Standards of Ukraine has been realized. The optimization of the composition has been fulfilled by the conduction of the additional experimental researches within the developed composition. With the aid of the developed laboratory units the impact of the reinforced plugging material on the tightness of the contact surfaces with the casing string and the wall well has been estimated. Using the modernized methods of the X-ray, electronic and thermal analyses, the features of the structure formation and the complex interaction of the reinforced and chemical mixture at the normal an reservoir conditions of the hardening have been determined. The technology of the reinforced plugging material preparation, the scheme of the improved modified plug and the updated reducer with the left thread for the decreasing of the dynamic loads value on the cementing ring in the casing string-borehole annulus, the decrease of bit stuck risk and cost cutting for the well construction have been developed and introduced Public Join-Stock Corporate “State Join-Stock Company “Chemomomaftogaz” exploitation.