автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.10, диссертация на тему:Исследование перемещения флюидов из призабойной зоны пласта в твердеющей тампонажный раствор

и

ГОСУДАРСТВЕННАЯ ОРДШ ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛГОИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗШШЕНИ ЖЩШ НЕШ И ГАЗА имени Й.Ы. ГУЕША

На правах рукописи УДК 622.245.422.2

----------- ЫОРХВД Ахыад Мохаммад

ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ФЛЮИДОВ ИЗ ПРИЗАБОЙНОЙ ЗОНЫ ПЛАСТА В ТВЕРДЕЩИЙ ТАМКМАЖНЫЙ РАСТВОР

Специальность 05.15.10 - "Бурение скважин"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1991

Работа выполнена в Государственной ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени Академии нефти и газа иы. И.М.Губкина.

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент В.М.ПОДГОРНОВ

• Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

A.M. ЯСАИИН

кандидат технических наук P.M.АЛИЕВ

Ведущая организация: Апрелевское отделение ВНИГНЙ

со

Защита состоится ".5.." 1991 г. в /И", часов

в ауд jfel. на заседании специализированного совета К.053.27.08 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук в Государственной Академии нефти и газа иы. И.М.Губкина по адресу: II79I7, Москва ГСИ-I, Ленинский проспект, 65.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан ". •". ____1991 г.

Ученый секретарь Специализированного совета кандидат технических наук, доцент

- 3 -

ОЫЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Известно, что при заканчивании скважин призабойная зона продуктивного пласта (ПЗШ видоизменяется. Особенно заметно воздействие фильтратов бурового и цементного растворов, которые, проникая в ПЗП, увеличивают водонасыценность продуктивных пород и затрудняют приток углеводородов при освоении низкопроницаемых и ыалопористых коллекторов. Однако, проникновение фильтрата является убедительным свидетельством наличия коллектора, что используется в геофизических и гидродинамических исследованиях скважин для выделения продуктивных интервалов.

Учитывая положительные и отрицательные последствия проникновения фильтрата в продуктивный коллектор, целесообразно обеспечить непродолжительную фильтрацию, исключив процессы в ПЗП, необратимо снижающие проницаемость, и ускорить расформирование зоны проникновения перед освоением скважины в период цементировочных работ,осуществляемых после комплекса геофизических исследований.

За счет сокращения глубины проникновения и водонасыщенности ПЗП упрощается процесс освоения продуктивного пласта и повышается эффективность заканчивания скважин, что имеет большое народнохозяйственное значение.

Целью работы является исследование процессов перемещения в твердеющий таыпонажный раствор флюидов из ПЗП для ускорения расформирования зоны проникновения фильтрата буровых растворов.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе определены и решены следующие основные задачи:

1.Разработать методику исследования кинетики перемещения водной фазы из пористой среды в твердеющий тампонажный раствор (кинетики подпитки).

2.Исследовать кинетику подпитки в зависимости от состава таы-понаяной смеси, жидкости затворения и флюидов, насыщающих пористую

срзду.

3.Обосновать принцип интенсификации подпитки на стадии твердения тампонажного раствора водной фазой из ПЗП с учетом механизма формирования структуры цементного камня.

4.На основе принципа интенсификации подпитки разработать способ приготовления тампонажного раствора с повшенной поглотительной способностью, обеспечивающей формирование прочного и малопроницаемого тампонажного цементного камня."

Научная.новизна

1.Установлено, что наличие проницаемой среды в контакте с тампонажннм раствором существенно влияет на кинетику контракции твердеющего тампонажного раствора.

2.Экспериментально показано, что скорость контракции и подпитки твердеющего раствора водной фазой из проницаемой среды при неизменных терыобарических условиях кроме состава вяжущего зависит от состава жидкости затворения и жидкости, насыщающей эту среду.

3.Показано, что структура тампонакного цементного камня, твердеющего в контакте с проницаемыми средами, зависит от характера и состава флюида, насыщающего эту среду.

Практическая ценность

¡.Разработана методика оценки процессов перемещения флюидов из ПЗП в твердеющий тампонажный раствор.

2.Разработан способ приготовления таыпонажных растворов, ^ обеспечивающий низкую проницаемость образующегося камня за счет введения наполнителя, водопотребность которого проявляется лишь

на этапе формирования основной структуры цементного камня после химического разрыхления экранирующей пленки на поверхности частиц наполнителя.

3.Показана реальная возможность расформирования зоны проникновения водной фазы в ПЗП на этапе твердения тампонажного камня за

счет интенсификации процессов подпитки и контракции.

4.Экспериментально установлена взаимосвязь скоростей контракции и подпитки, что дает возможность, учитывая реальные геометрические соотношения в скважине, использовать данные лабораторных исследований в промысловой практике.

Реализация .работа: Результата работы по ускорению расформирования зоны проникновения за счет перемещения флюидов из ПЗП в твердеющий талшонажный раствор изложены в инструкции по применению способа приготовления тампонажного раствора с повышенной водопогло-тительной способностью, которая принята Сирийской нефтяной компанией для цементирования скважин на месторождениях Хасака.

Апробация работы. Основные положения диссертации представлены на: Х1У Всесоюзном совещании "Состав и свойства глинистых минералов, их использование в народном хозяйстве", Новосибирск, 1988 г.; Всесоюзной конференции "Проблемы строительства нефтяных и газовых скважин", Краснодар, 1990 г.; Всесоюзном совещании "Эффективность вскрытия и методов оценки сложнопостроекных продуктивных пластов при бурении и опробовании глубоких разведочных скважин", Тюмень, 1990 г.

Публикация. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 3 публикациях и одном изобретении.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и приложений, изложенных на ^^ страницах машинописного текста,¿2. рисунков и20 таблиц, списка использованной литературы, насчитывающего названий.

В первой главе содержится анализ работ, посвященных вопросам взаимодействия тампонажного раствора с проницаемыми средами на начальной стадии твердения.

Перемещение флюидов в системе пласт - твердеющий тампонажный раствор в основном определяется контракционныыи и осмотическими

- о -

процессами, которые проявляются с различной интенсивностью и направленностью в течение длительного времени после цементирования.

Большой вклад в изучение этих вопросов внесли: А.И.Бережной, В.Б.Беспалов, А.И.Булатов, С.Ц.Гамзатов, Н.А.Губкин, В.С.Даншев-ский, Г.Д.Дибров, Д.А.Крылов, А.К.Куксов, А.Н.Мариаыпольский, Л.К. Мухин, М.С.Остряков, В.И.Рябченко, Е.{¿.Соловьев, И.А.Сибирко, В.В. Сутягин, Н.И.Титков, В.Ю.Шеметов и др.

1снения исследователей по поводу влияния контракционных и осмотических зйфектов в условиях скважины на качество цементирования расходятся. К настоящему времени большинство исследователей считают, что при твердении тампокажных растворов в контакте с водона-скщешшми пластами фильтрационные корки не обезволиваются в результате перемещения водной фазы кз ПЗП.

Особенно подробно изучены осмотические перетоки за счет градиента концентрации и полупронииаемости твердеющего такпонажкого камня А.И.Булатовыы, Н.Г.Аветисянов, В.Е.-Шеметовъи и др.

Однако анализ исследований показывает, что управление этими процессами с целью интенсификации осмотической подпитки тверделКце-го таыпонажного раствора, водкой фазой из ПЗП затруднено узким диапазоном допустимых концентраций электролитов в жидкости затворения и малым объемом поровой жидкости в тампонажноы цементном камке.

Перетоки за счет контракционных эффектов изучены мало. Известны основные факторы, влияющие на кинетику контракции минералов портландцемента и тазпонажных растворов на их основе. Но до сих пор недостаточно изучено влияние на кинетику контракции тампоназшых растворов таких факторов, как наличие насыщенной пористой среды в контакте с твердеющим таыпонарнш раствором, состав жидкости затворения и жидкости, насыщающей ПЗП.

На основании анализа фундаментальных теоретических и экспери-

ментальных исследований установлено, что процесс поглощения водной фазы твердеющим тампонажннм раствором непосредственно связан с капиллярной конденсацией, которая зависит от физико-химических и поверхностных свойств флюидов и минералов портландцемента.

В предварительном эксперименте на установке, моделирующей систему "уплотненный песок - твердевдий цементный растЕор" нами выявлено устойчивое перемещение линии раздела фильтрата и насыщающей песок жидкости в сторону твердеющего цементного раствора, что подтвердило возможность перемещения водной фазы из ПШ ка стадии цементирования.

На основании анализа научно-технической литературы были сформулированы основные задачи исследования

Вторая.глава посвядена методам исследования процессов перемещения водной фазы из пористой среды в твердеющий тампонажньй раст-зор и обработке экспериментальных данных. В методике ыоделирувтся: формирование фильтрационной глинистой корки на проницаемой стенке; замещение бурового раствора тампонажным; твердение тампонажного раствора. Для сохранения соотношения исходных компонентов тампонажного состава процесс фильтрации тампонажного раствора через фильтрационную корку при вытеснении бурового раствора исключается.

Разрзботанная установка (рис. I) позволяет определить объем жидкости, который перемещается из модели проницаемой стенки в твердеющий тампонажный раствор - ДV п, названный нами величиной подпитки, и изменение общего объема жидкости в системе - дУ к, названный нами величиной контракции твердеющего тампонажного раствора.

Твердение тампонажного раствора обеспечивалось при гидравлическом равновесии а системе пористая среда - твердеющий тампонажный раствор. Кинетика контракции и подпитки твердеющего тампонажного раствора определялась по перемещению верхнего (масло-воздух)

"47-¡

о

vj.

¿Г

¿^=1,60 + 4,00 Loo T üVW,45 + 2,52 Loa т üv„ + 3,14 Loo г

Г

k L

3 4 5 G 7 8 10 12 _I Время твердения, су т.

Рис. I, Принципиальная схема установки для исследования кинетики контракции и подпитки твердеющего ташонакного раствора водно!! йозо'! из пористой среда

'Рис. 2. Кинетика контракции U- к) и подпитки (* = п) твердеющего тамкоиажного раствора в контакте с проницаемо.4 средой и в контакте с непроницаемой стенной (* = ко)

05 I

и нижнего (масло-вода) менисков в пьезометре против соответствующей шкалы.

Для каждой рецептуры, исследованной на установке, определялась контракция таипонажного раствора в сосуде с непроницаемыми стенками - гУК0.

Кинетика исследуемых процессов определялась по изменению показателей к в, к н и Я во времени. Для удобства объемные параметры дV К, дУп и отнесены к исходному значению объема таыпонажного раствора V исх , при этом размерность становится.

о о

и /и и выражается в % об.

Кинетика процессов контракции и подпитки в полулогарифмических координатах описывается прямыми с разным углом наклона (рис.2). В интервале времени твердения от I до 10 сут. для большинства там-понетшх рецептур отмечается хорошая сходимость результатов для даждого из рассматриваемых параметров, и зависимость Д4/к, д V , от времени аппроксимируются выражением:

* ) =а1+ XI ^ >

где ДУ^ ) - функция 1-ого параметра в зависимости от времени, % об.; "Ь - время твердения, сут.; - величина с-ого параметра за первые сутки твердения, % об.; ^ - показатель скорости процесса в % об./сут.

Показатель скорости рассчитызается по формуле:

где: Д Х.^), лУи( - величина параметра при двух промежутках времени X. "Ь ^ соответственно.

Сопоставление кривых контракции лУ и ¿Ух0(рис. 2) показывает, что наличие насыщенной пористой среды в контакте с твердеющим цементным раствором изменяет кинетику контракции одного и того же состава. Так, показатель скорости контракции контрольной рецептуры

при наличии пористой среды, насыщенной фильтратом пресного глинистого раствора,возрастает с 2,52 до 4,00, а показатель скорости подпитки при этом составляет 3,14 (рис.2).

При обработке результатов эксперимента возникает необходимость перехода от объемной контракции к массовой, принятой в литературе. Для этого использовалось выражение:

К «¿4/«5,-100), где Сц =рцр/(1+В/Щ - массовая концентрация вяжущего в ташонаж-ной смеси, кг/цЗ; р _ плотность тампонажного раствора, кг/м^.

Сравнение для определенных промежутков времени величин, полученных нами и рассчитанных по справочным данным, показало расхождение этих величин (видимо из-за зависимости этих показателей от метода приготовления тампонажного раствора). Однако, показатели скорости % к0 практически совпадают (ро 95%). Поэтому показатель скорости в дальнейшем использовали как основной,и в зависимости от условий были приняты $к и & п.

Эксперименты показали, что в условиях гидростатического равновесия в системе пласт - твердеющий раствор соотношение Хк =

^ (зависит, при прочих равных условиях, от геометрического показателя £ I, который численно равен соотношению части объема, контактирующего с пористой средой, к общему объему тампонажного раствора, т.е. £^кок/ Vисх . Показатель моделировался в диапазоне от 0,22 до 0,56. Основная масса исследований проводилась при £ ! = 0,327 -г 0,375.

Установлено, что показатели У к> ^ и У п связаны следующим соотношением: В = (Ук - п. Коэффициент В дает возможность пересчитать экспериментальные данные применительно к реальным геометрическим соотношениям объемов V кон и ^исх-Установлено, что коэффициент В изменяется в зависимости от состава тампонажного раствора и жидкости, насыщающей пористую стенку.

В работе использованы дополнительные показатели влияния пористой среды на скорость контракции £ = У^ и компенсации подпиткой контракции твердеющего ташонаяного раствора

^ я = V ^ кОстальные показатели, необходимые по ходу исследований, определялись по стандартным методикам.

В третьей главе излагаются результаты исследований кинетики подпитки и контракции твердеющего ташонаяного раствора в зависимости от минералогического состава вяжущего, состава жидкости затво-рения тампонаяной смеси и .жидкости, наседающей пористую среду.

Изменение минералогического состава осуществлено путем добавления чистых минералов СдА, С^И1 и С2$ к тампонажному портландцементу Подольского завода.

При твердении цементного раствора с повьшеннкм содержанием СдА в контакте с непроницаемой стенкой .¡реализуется контракшонный процесс с повышенными показателями а ко, £ к0 по сравнению с исходным составом и составами цементных растворов с повышенным содержанием С^АР или -С^Б , что соответствует имеицимся в литературе данным. Например, добавка 10%' СдА к исходному составу способствует ловшению 2 к0 с 2,52 до 3,24% об./сут., а 20% - до 3,38% об./сут.,

при этом значения а„„ соответственно составляют 1,45, 2,00 и 3,9® ки

об.

В условиях подпитки твердеющего цементного раствора пресным фильтратом глинистого раствора показатели кинетики контракции и подпитки растворов с повышенным содержанием СдА также отличались более высокими схоростями, чем у чистых растворов и растворов с повышенным содержанием £ - С^З . Например, добавка 1С% СдА к составу исходного цемента повывает ¡£ к с 3,85 до 4,90% об./сут, а X п - с 2,95 до 4,05% об.сут.

Однако с увеличением содержания ашэминатных составляющих в

составе цемента Подольского завода повидается проницаемость образующегося камня ( в 3 раза при добавке 1Сй СдА), и наблюдается тенденция к снижению прочности образцов.

Наличие водонасыщенной среди в контакте с твердеющим цемент^ нкы раствором приводит к увеличению скорости контракции по сравнению с твердением в непроницаемом сосуде. При этом кинетика контракции существенно зависит от состаЕа жидкости, насыщающей эту среду (табл.1).

Таблица I

Показатели кинетики контракции и подпитки твердеющего цементного раствора (В/Ц=0,5, Т=20°С) в зависимости от состава жидкости, насыщающей проницаемую среду

Жидкость,насыщающая' Контракция! Подпитка,

Я

эксперимента

проницаемую среду

, % об. ! ак

об.

п

59 среда непроницаемая 1,45

90 фильтрат № 1,40

9Г пластовая вода 1,10

92 пресная вода 2,05

93 15%-ный раствор //аС1 2,50

59х фильтрат пресного глинистого раствора ~ 1,10

103* то же с 0,25 0П-10 1,45

105* то ¡ке с Ъ% 0,5 КМЦ 1,90

2,41 _ _

3,'90 0,60 3,10 0,79 1,63

3,25 1,40 1,90 0,58 1,35

4,30 2,00 3,45 0,80 1,80

4,15 1,20 2,50 0,62 1,72

3,85 0,55 2,95 0,77 1,60

3,50 0,50 3..35 0,96 1,45

3,60 .0,45 2,80 0,78 1,50

Примечание: к - при наличии фильтрационной корки

Сопоставление показателей кинетики подпитки в случаях использования в качестве жидкости, насыщающей пористую среду, пресной воды, фильтрата собственного раствора, пластовой воды и водного раствора хлористого натрия (экс. 92, 90, 91 и 93 соотв. в табл I)

показывает, что на скорость подпитки определенное влияние оказывают осмотические перетоки, которые в зависимости от направления действия градиента солености могут усиливать подпитку (экс.92) или ослаблять ее (экс. 91 и 93). Поскольку фильтрационная корка и зона кольматации в указанных экспериментах отсутствуют, то роль полупроницаемо;} перегородки выполняют структурные элементы цементного камня в контактной зоне с пористой средой.

В процессах подпитки участвуют капиллярные силы, о чем свидетельствует увеличение показателя ^ п при добавке ПАВ,например, ОП-10 (экс. 103), ГКЖ-10 и лигносуяьфоната кальция. Наличие КЩ в фальтрате-глинистого- раствора, насыщающего пористую среду, на исследуемые показатели существенного влияния не оказывает.

Кинетику подпитки твердеющего цементного раствора углеводородными фракциями определяли ламшисцентной хроматографией после задерживания образцов в контакте с пористой средой, насыщенной керосином, Тенгизской и Акжарской нефтью, 3,7,14 и 60 сут.

Установлено, что для тяжелых углеводородных компонентов скорость подпитки снижается. В хоре заполнения поровой структуры твердеющего раствора жидкими углеводородами изменяется их компонентный состав. При этом содержание ароматических углеводородов снижается от 55% в исходном составе до 2С$ в снятой порции с верхнего слоя после 7 сут. твердения. Это свидетельствует о том, что при подпитке парафиновые и нафтеновые углеводороды перемещаются в твердеющий раствор более интенсивно, чем ароматические, которые судя по полученным данным, адсорбируются на поверхности цементных зерен.

Проницаемость цементного камня, твердеющего с подпиткой керосином, в 2 - 3 раза больше проницаемости того же камня,твердеющего с подпиткой пресной водой.

Наглядное представление о структуре цементного камня,твер-

декщего в контакте с различными средами, дает сопоставление результатов исследований образцов цементного камня ртутной порометри-ей, электронно-сканирующим микроскопом и контролем катодолшинис-центного свечения.

Установлено, что твердение цементного раствора в контакте с водонасыценной средой приводит к развитию в структуре наиболее мелких пор по сравнению с непроницаемой и газоиефтенасыщенной средами. Изменение состава водной фазы не приводит к существен-

р о

ному различию кривых в области промежуточных (R= 10 ... 10 мкы) и капиллярных (R >10~*мкы) пор.

Используя растровый электронный микроскоп (тип JÖM-5QA), удалось установить характерное различие структуры цементного камня в зависимости от характера насыщенности пористой среды. Различия в микроструктуре имеются как по форме агрегатов и кристаллов, так и по характеру их связи и степени уплотнения. В структуре цементного камня, твердеющего в контакте с керосином, наблюдаются слабо связанные между собой тонкодисперсные агрегаты.

Исследование распределения фильтрующих пор по размерам проводили с помощью системы ЕЭМ-АЙ по методике, разработанной в МйНГ им. И.М.Губкина (Бочко P.A., Еремина Е.И., Киреев Ф.А. и др.Д988г.), сочетающей возможности количественной оценки параметров структуры с визуальной оценкой морфологических особенностей цементных образцов.

Анализ полученных микрофотографий показывает, что твердение в контакте с водной фазой приводит к отсутствию крупных фильтрую-щихщих пор по сравнению с газонефтенасыценной и непроницаемой средами в структуре образующегося цементного какня (рис.3). Относительно высоким значениям скорости подпитки соответствуют высокие4 значения условной пористости, увеличение которых обусловлено развитием большого числа мелких размеров (меньше 4,2мкм). Эти поры

являются основой капиллярного механизма процесса подпитки. Как показали эксперименты, наиболее существенное влияние на кинетику процессов контракции и подпитки твердевшего цементного раствора оказывает состав жидкости затворения.

Установлено, что показатели кинетики подпитки засоленного га-литом таыпонажного раствора пресным фильтратом из пористой среды пропорционально возрастают с увеличением концентрации хлорида натрия в жидкости затворения. Так, при введении 5,7,5 и 13% от массы цемента хлорида натрия в жидкость затворения (К/Ц=0,5) показатель скорости подпитки соответственно составлял 3,6 ; 3,91 и 4,50$ об./сут. При этом показатель скорости контракции также возрастает и составляет 4,29; 4,61 и 4,85% об./сут. соответственно. В то же время процесс твердения аналогичных растворов в непроницаемой среде сопровождается контракдаонным процессом с пониженной скоростью (2,57; 2,33 и об./сут.), что подтверждается результатами, полученными Булатовым А.И1 и Мариаыпольским H.A.

Таким образом, подпитка засоленного тгыпонажного раствора пресным фильтратом из пористой среды привела к резкому росту скорости епо контракции. Причина отмечаемого явления может быть связана с тем, что пресный фильтрат, перемещающийся в твердеющий раствор, приводит к разбавлению поровой жидкости. Снижение концентрации солей в поровой жидкости не только изменяет процесс гидратации, но и препятствует процессу пересвдения и выкристаллизации солей из пересыщенных растворов, которые, как правило, сопровождаются отрицательной контракцией системы.

В отличие от солей добавки гидрофилизаторов <011—10 и лигно-сульфоната кальция) способствуют увеличению контракции тамлоная-ных растворов в различных условиях твердения. При твердении там-понажного растзора, затворенного на 0,5^-ноы растворе ОП-Ю, получены следующие показатели: tfKO=3,44, £¡.=6,15 и ^п=4,бО/'эб./сут., а на 1,0б-ном растворе лигносульфэната Са++ соответственно -

Рис.3. Сопоставление ыикро-фотографии катодолвдшшсцентного све чения поверхности образцов цементного камня,твердеющего в различных условиях, I002.

1,2,3 и 4 - чистый цементный раствор, твердеющий соответственно в контакте: с непроницаемой средой; с проницаемой средой, насвденной воздухом, керосином и фильтратом цементного раствора.

5 и 6 - тампонадная смесь с добавкой соответственно сухой и модифицированной глины, твердеющие в контакте с пористой средой, насьщенной^ фильтратом глинистого раствора. ^Значения пористости образцов,определенные методом катодо-люыинисцентного свечения, %.

3,38; 5,75 и 4,05% об./сут. Однако в обоих случаях наблюдается некоторое повышение проницаемости цементного камня.

Добавка гидрофобизатора ГКК-10 в воду затворения привела к повышению при незначительном повышении X к и ^ п по сравнению с необработанным цементным раствором.

Интересно, что для всех реагентов ПАВ величина р п примерно одинакова и составляет 0,70 - 0,74, несмотря на то, что влияние" процесса подпитки на контракцию существенно зависит от типа ПАВ. Наиболее высокие значения скорости подпитки достигнуты при совместном введеник соли и ПАВ, и она составила 4,85% об./сут. при зат-ворении тампонажнсй смеси на 15%-ноы растворе хлорида натрия с 0,5%-ным ОП-Ю. При этог-1 значения % к0 'л ^к не пРевшают по~ казателей для необработанного цементного раствора.

Таким образом, регулируя состав клинкера и жидкости затворения, невозмошо добиться существенного изменения кинетики подпитки.

Четвертая глава посвящена обоснованию принципов управления процессом перемещения водной фазы из пористой среды в твердевдей тампонажккй раствор и разработке на основе этих принципов таыпо-на<"ятах составов с повышенной водопоглотитеяьной способностью. С учетом физико-хюличесяой сущности процессов для интенсификации коктракцконнсй подпитки необходимо снижение размеров пор и гидро-филизация их поверхности. На основании указанных положений следует искать активную по отношению к воде добавку, способную ка этапе твердения связывать большое количество свободной воды и сокращать объем фильтрующих пор в цементном ка*<не. Среди природных материалов заслуживают особого внимания глинистые минералы,которые способны набухать и связывать значительное количество воды. В практике цементирования используются глинистые минералы для снижения плотности и водоотдачи те.мпонажных растворов. Однако такие растзора для цементирования в продуктивной зоне не применяются из-за низкой

- 18 -

прочности образующегося камня.

Исходя из поставленной цели работы набухание глинистых минералов должно происходить следующим образом:

1.Торможение набухания при затворении и продавке тампонаж-ного раствора по затрубноыу пространству (I этап).

2.Активное набухание в период ОЗЦ, когда основная структура твердеющего раствора сформирована (П этап) и также на этапе твердения Ш этап).

Экспериментальные исследования показали, что в фильтрате цементного раствора (В/Ц=0,5) высококачественная глина теряет свою "способность к набуханию примерно "в" 3-4 раза, а процесс набухания реализуется в основном на I этапе.

Для смещения активного набухания на П и Ш этапы была использована идея защиты поверхности глинистых частиц гидрофобизацией углеводородной фазой или силикатизацией жидким стеклом. Идея экранирования глины до ее введения в тампонажный раствор осложняет процесс приготовления тампоназшой смеси. В связи с этим обычный способ приготовления (I), при котором сухая смесь глины и цемента затворяются на воде или на растворе химических реагентов,был дополнен другим способом (2), при котором производится предварительная обработка глины в растворе химического реагента, предназначенного для модификации глины. Вэемя выдержки определяется оптимальной продолжительностью модификации. Другие химические реагенты вводят с оставшейся долей воды для разбавления полученной при модификации глины пасты с целью получения глинистой суспензии, на которой затворяют цемент.

Активное набухание гидрофобизированной глины в фильтрате цементного раствора, затворенного на пресной воде или 0,25/&-ном растворе ОП-ГО начинается через 3-6 часов, что соответствует продолжительности I этапа.

Проведенные эксперименты с тампонажныыи растворами, содержащими 5,10 и 15% от массы сухого цемента гидрофобизироввнной' : глины показали, что наиболее эффективное увеличение скорости подпитки достигнуто при введении 5% глины в составе тампонажного раствора, затворенного на водном растворе 0П-10. При этом X п составило 5,25% об./сут., что в 1,8 раз больше, чем в случае введения того же количества необработанного глинопорошса. Однако тампонажный камень у этих рецептур характеризуется повышенной проницаемостью и низкой прочностью по сравнению с контрольным безглинистым тампонажным раствором.

Глина, модифицированная жидким стеклом, активно набухает на Ш этапе, способствуя увеличению скорости подпитки тампонажного камня. В качестве примера на рис. 4 приведены значения Ü п и К от содержания глины и способа ее введения в тампонажную смесь, затворенной на насыщенных растворах хлорида натрия.

Как видно из рис. 4, кинетика контракции и подпитки твердеющего гельцементного раствора зависит от способа введения компонентов и вида предварительной обработки наполнителя.

Модификация глины жидким стеклом приводит к реализации наибольшей скорости подпитки t п=6,20 (№ 67) и наименьшей проницаемости образующегося камня К = 1,2 94). В растворах ОП-Ю наибольшее Ц п получено при добавке 5-1С$ гидрофобизированной глины ( ¿fn=5,25). Добавка того же количества глины, модифицированной жидким стеклом, дала ^ п^»^' значение которой также выше скорости подпитки, получаемой для тампонажного раствора с добавкой необработанного глинопороска % п=2,85, но дает проницаемость тампонажного камня на два порядка ниже.

Добавка 0,2% ОП-Ю в составе кидкоста затворения повышает X п на 10—I5JÓ, однако, при этом снижается прочность. Снижение проницаемости при добазке модифицированной глины возможно является резуль-

татоы взаимосвязанных процессов в структуре твердеющего тампонаж-ного камня. Первый процесс - разрушение экранирующих пленок жидкого стекла, адсорбированных на поверхности глинистых частиц, и образованна гелькремниевой кислоты. Второй - набухание глинистых частиц в поровой жидкости твердеющего тампонажного раствора, которая ограничена достаточно прочной структурой.

• Наибольшая скорость подпитки достигнута в пределах содержания модифицированной глины в тампонацией смеси от 5 до 15% от массы цемента (рис. 4). При этом наблюдается и хорошее качество образующегося камня. Проницаемость цементного камня по сравнению с необработанным цементным раствором снижается до 100 раз, причем прочность сохраняется в допустимые пределах.

Из рис. 3 видно, что при твердении тампонакной смеси с добавкой 10% модифицированной глины (образец б, рис.3), образуется камень практически без фильтрующих пор.

Установлено, что снижение концентрации¡^С! в жидкости затво-рения снижает £ п, увеличение концентрации силиката натрия для модификации глины более 5% снижает проницаемость, но незначительно повшает скорость подпитки и ухудшает подвижность раствора.

С учетом прочности, проницаемости, скорости подпитки и подвижности тампонажного раствора была определена оптимальная рецептура, новизна приготовления которого признана Государственным комитетом патентной экспертизы.

Глубину воздействия исследуемых процессов на проницаемые пласты можно оценить приближенно, допуская объемный характер замещения жидкости в ПЗЛ. Радиус зоны (Г ЗЕ), из которой происходит перемещение объема водной фазы ( Д V п) в твердеющем таыпонажном растворе можно оценить формулой:

- 21 -

У

Рис. 4. Зависимость показателя скорости подпитки твердеющего тампокажного раствора Тп и относительной проницаемости цементного камня К от содержания глины и способа ее введения в тампонажную смесь (I- сухая смесь; 2 и 3 - глина предварительно прогидратирована в 4,5%-ном растворе силиката натрия и в пресной воде). Цифры у точек - № рецептуры.

где: ¿2 ~ отношение объема тампонажного раствора, контактирующего с пористой средой соответственно ко всему твердеющему объему и поверхности фильтрации;

- коэффициент,учитывающий то, что не вся водная фаза

в поровом пространстве коллектора перемещается в сторону твердеющего тампонажного раствора;

- радиус скважин, м ;

= О. п + % п - кинетика подпитки после поправки на масштабный фактор, 6 р

то - открытая пористость (доля ед.).

В условиях продуктивного пласта Джореби (САР), где ££=0,325, £,2=0>№30, ГОо=0,10, Рс=0,125 м, использование рецептуры (№ 67) приведет через 14 суток к расформированию зоны размером до ЗУС (75 • 10-2м).

Основные выводы по работе

1.При твердении тампонажного раствора в контакте с проницаемой средой происходят объемные перемещения водной фазы, насыщающей эту среду, что может сопровождаться расформированием зоны проникновения в призабойной части продуктивного пласта на этапе цементирования скважин.

2.Наличие проницаемой среды в контакте с твердеющим тампонаж-ным раствором существенно влияет на кинетику контракции тампонажных растворов. При этом скорость контракции зависит от минералогического состава вяжущего, состава жидкости затворения, состава жидкости в проницаемой среде, .а также от терюбарических условий твердения.

3.Разработанная методика позволяет моделировать последовательность операций при цементировании скважин и исследовать одновременно

процессы подпитки и контракции твердеющего тампонашого раствора в условиях гидростатического равновесия, с учетом геометрических соотношений, характерных для реальных скважин.

4.Структура тгмлонажного цементного камня, твердеющего в контакте с проницаемыми средами, зависит от характера их насыщенности. Твердение тампонажного раствора в контакте с водонасыщенной средой приводит к образованию камня с относительно крупными и плот-коуложенныш: агрегетами. При подпитке твердеющего раствора углеводородной яидкостьп наблюдается большое количество слабосвлзанных .чежду собой тонкодисперсных агрегатов. Проникновение ароматических углеводородов в цементный камень происходит менее активно, чем парафиновых и нафтеновых углеводородов.

5.Увеличение объема водной фазы на подпитку твердеющего цементного камня из проницаемой среды, обеспечивающее его высокую прочность и низкую проницаемость, достигается введением наполнителей, высокая водопотребноегь которых проявляется в процессе формирования структуры. В качестве такого наполнителя монет быть гадрофобизирован-ная или силикатизярованная бентонитовая глина. Силикатизация глины обеспечивается предварительной обработкой лсидкиы стеклом. Новизна предложенного способа подтверждается положительным решением ВНЙИГПЭ }? 4814843/044714,

6.Зона влияния разработанного таыпонакного раствора при его твердении в контакте с низкопористыми коллекторами может в течение 14 сут. распространяться до трех и более радиусов скважины, при этом проницаемость цементного камня снижается на 1,5...2 порядка при сохранении его прочности.

7.На основе выявленных закономерностей разработана способ приготовления тачлонатаого раствора и инструкция по его использованию применительно к месторождениям Хасакв (САР).

Основные положения диссертации изложены в работах:

1.Подгорнов В.М., Морхедж A.M., Киреев Ф.А. Изменение структуры глинистых корок бурового раствора в скважине при контакте с фильтратом цементного раствора // Состав и свойства глинистых минералов, кх использование в народном хозяйстве: Тез. докл. Х1У Всесоюз. совещания. - Новосибирск, 1988. - С. 146 - 147.

2-Подгорнов В.Ы., Ыорхедк А.Ы. Влияние на структуру цементного камня подсоса флюидов из коллектора е сньрдсющий тампонажный раствор // Проблемы строительства нефтяных и газовых скважин: Тез. докл. к Всесоюз. конф., посвященной 20-летию ВНИШРнефть.-Краснодар, 1990. - С. 142 - 143.

3.Подгорнов В.М., Морхедж A.M., Хуциани А.И. Сопоставление контракции тампонажных растворов, твердеющих в контакте с проницаемыми средами // Эффективность вскрытия и методов оценки слолшо-построенных продуктивных пластов при бурении и опробовании глубоких разведочных скважин: Тез. докл. Всесоюз. совещания. - Тюмень, 1990. - С. 151- 162.

4.Подгорнов В.Ы., Ыорхедгс А.Ы., Ведищев И.А. Способ приготовления тампонажного раствора. - Решение по заявке № 4814843/03 (044714) от 17.04.1990 г.

Соискатель