автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.10, диссертация на тему:Разработка составов, технологии получения и примененияутяжеленных цементов для крепления глубоких скважинв Казахстане

На правах рукописи

МОСКАЛЕНКО БОРИС НИКОЛАЕВИЧ

--ййе

Разработка составов, технологии получения и применения утяжеленных цементов для крепления глубоких скважин в Казахстане

Специальность 05.15.10 - " Бурение скважин"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа 1996

Работа выполнена в КазНИГРИ.

Научный руководитель :член-корр. АН РБ, д.т.н.,проф.Мавлютов Научный консультант : к. т.н., Измухамбетов Б. С. Официальные оппоненты:член-корр.АН РТ. д. т.н., проф.Юсупов И.

к. т. н., доцент Матюшин П. Н.

Ведущее предприятие АО НИПИ "Газжоболау" г. Уральск

Защита состоится " ^ " 1997 г. в ?® часов

на заседании диссертационного Совета Д.063.09.02 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Уфа-62, ул.Космонавтов,1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан » ¿¡Л/с&! 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, доктор физико-математических наук, профессор

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ

Для решения проблемы обеспечения народного хозяйства Республики Казахстан углеводородным сырьем необходимо увеличение объема бурения скважин на подсолевке отложения в перспективной Казахстанской части Прикаспийской впадины, которая характеризуется наличием аномально высоких пластовых давлений и температур. При этом необходимо обеспечение повышенного качества и уменьшения сроков строительства скважин при значительном снижении трудовых и материальных затрат и оздоровлении экологической обстановки. Особую роль при этом играют тампонажные материалы со специальными свойствами, обеспечивающие надежную изоляцию заколон-ного пространства скважин.Применяемые в настоящее время утяжеленные тампонажные цементы, получаемые за счет добавки к портландцементу или шлаковому вяжущему барита, не во всех случаях отвечают требованиям качественного крепления скважин : они уса-дочны, проницаемы, седиментационно неустойчивы, не во всех случаях достигается требуемая плотность раствора из-за увеличенной водопотребности.

В Казахстане с участием автора разработана технология получения тампонажных смесей с применением промышленных отходов, построен цех сухих тампонажных материалов. В то же время из-за несовершенства технологической линии выпускаемые утяжеленные тампонажные цементы не всегда удовлетворяют требованиям АВПД, высоких температур и других геологических особенностей в новых перспективных в нефтегазоносном отношении регионах. Естественно, требуют решения и вопросы совершенствования технологии процесса цементирования скважин с использованием вновь разработанных нами материалов.

Необходимость разработки составов,технологии получения и применения утяжеленных тампонажных цементов с регулируемыми технологическими свойствами для крепления скважин и разобщения продуктивных горизонтов на нефтегазовых месторождениях является весьма актуальной задачей и имеет большое значение для ускоренного экономического развития Республики Казахстан.

Цель работы

Разработка составов, технологий получения и применения утяжеленных тампонажных материалов со специальными свойствами, обеспечивающих качественное строительство скважин в условиях высоких пластовых давлений и температур в Казахстанской части Прикаспийской впадины.

Задачи работы

1. Изучение геологических особенностей и геолого-физических факторов, определяющих формирование цементного кольца в заколон-ном пространстве, и обоснование требований к технологии, составу и свойствам тампонажных цементов для условий аномально высоких давлений и температур при наличии агрессивных агентов.

2. Изучение возможности использования отходов горно-рудной, химической промышленностей, черной и цветной металлургии Республики Казахстан для получения утяжеленных и тяжелых цементных растворов.

3. Разработка составов утяжеленных тампонажных цементов на основе местных материалов и промышленных отходов.

4. Разработка технологий получения и применения утяжеленных тампонажных цементов с использованием дезинтеграторной активации.

5. Апробация результатов исследований, разработка нормативных документов, промышленное использование разработанных рекомендаций.

Научная новизна

1. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность получения эффективных тампонажных утяжеленных (до 2600 кг/м3) цементов с регулируемыми физико-механическими характеристиками из промышленных отходов предприятий Казахстана.

2. Установлена качественная взаимосвязь между физико-хими-

ческими свойствами, минералогическим составом отходов горно-рудной, химической промышленности и шлаков черной и цветной металлургии Казахстана и изменением технологических свойств тампонаж-ных утяжеленных цементов на их основе при их обработке в дезинтеграторе.

3. Установлена возможность значительного расширения температурного интервала (до 250 °С) применения тампонажных утяжеленных цементов на основе малоактивных промышленных отходов путем их механоактивации.

4. Установлена качественная взаимосвязь между составом, свойствами добавок-модификаторов тампонажного утяжеленного цемента, режимом дезинтеграторной активации и технологическими свойствами конечных продуктов.

Практическая ценность

1. Разработаны требования к технологическим свойствам тампонажных утяжеленных цементов, показаны возможности использования в составе утяжеленных цементов широкого круга отходов горнорудной, металлургической промышленностей.

2. Разработан ряд тампонажных утяжеленных цементов, в том числе и бесклинкерных, с легко регулируемыми свойствами, получаемых из промышленных отходов, обеспечивающих качественное крепление скважин и разобщение продуктивных горизонтов в условиях аномальных пластовых давлений и температур.

3. Обоснованы рациональные режимы дезинтеграторной обработки тампонажных утяжеленных цементов для регулирования их технологических свойств, обеспечивающих в комплексе надежную герметичность заколонного пространства скважин.

4. Усовершенствована дезинтеграторная технологическая линия для получения тампонажных утяжеленных цементов на основе местных промышленных отходов.

- 6 -

Реализация работы в промышленности

Разработанные тампонажные утяжеленные цементы, технология их получения и применения использованы в промышленном масштабе при строительстве глубоких нефтяных и газовых скважин в условиях аномально высоких пластовых давлений и температур ГХК "Тулпар", ГХК "Акбота", ГХК "Поиск". По усовершенствованной дезинтегратор-ной технологии изготовлено всего 12680 т утяжеленных цементов на основе промышленных отходов, в т.ч. 5370 т с расширяющийся свойствами, 1665 т бесклинкерного утяжеленного вяжущего, 5645 т утяжеленных цементов с добавкой хромитовой, целестиновой и никелевой руд.

Указанными утяжеленными цементами, изготовленными по разработанной автором технологии, зацементировано 20 эксплуатационных и 40 технических колонн на месторождениях Тенгиз, Елемес, Кенки-як, на разведочных площадях Чинаревская. Диркульская и др.

Использование разработок автора позволило решить проблему крепления скважин и разобщения продуктивных горизонтов в условиях аномально высоких пластовых давлений и температур , сэкономив дорогостоящий портландцемент до 40% за счет замены его дешевыми отходами, повысить надежность изоляционного комплекса скважин в Республике Казахстан.

Защищаемые положения

1. Обоснование возможности и целесообразности использования отходов горно-рудной, химической промышленности и шлаков черной и цветной металлургии Казахстана для получения тампонажных утяжеленных цементов.

2. Составы и технологии получения и применения тампонажных утяжеленных цементов на основе промышленных отходов Казахстана.

3. Закономерности, взаимосвязи между составом и свойствами добавок- модификаторов тампонажных утяжеленных цементов, режимом дезинтеграторной обработки и физико-механическими характеристиками готового продукта.

Апробация работы

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Республиканской научно-теоретической конференции по проблемам бурения скважин на Мангышлаке (г.Шевченко, 1979), Всесоюзном совещании по повышению эффективности разведочного бурения (Алма-Ата, 1981), Всесоюзном совещании по гидратации и структурообразованию цементов, полученных на основе отходов промышленности (1983,Чимкент), Всесоюзной конференции- дискуссии по формированию и работе тампоназкного камня в скважине (1984г., Дивногорск), Всесоюзном (V) семинаре по УДА технологии (1987 г., Киев), Международном симпозиуме по механоэмиссии и механоактива-цни твердых тел (1995 г., Ташкент),Научно-тематической конференции аспирантов и молодых ученых УГНТУ, ( Уфа, 1995г.), Всероссийской конференции "Проблемы нефти и газа России" (г.Уфа, 1995 г.). Всероссийской конференции "Проблемы нефти и газа России" (г. Москва, 1996г.), научнопрактической конференции, посвященной 65-летию геологической службы Казахстана (Алматы, 1994),Международной научно-технической конференции "Современные проблемы строительного материаловедения"(Казань,1996г.), Международной конференции "Проблемы подготовки кадров для строительства и восстановления скважин"(Тюмень, 1996г.), Первом республиканском съезде по теоретической и прикладной механике (Алматы,1996г.), научно-технических советах Министерства геологии и охраны недр Республики Казахстан (Алматы, 1992, 1993, 1994, 1995), научно-технических советах ГХК "Тулпар", "Акбота", "Поиск" (Актюбинск, Атырау, Уральск, 1993, 1994, 1995).

ПУБЛИКАЦИИ

Результаты исследований, отракающие положения диссертационной работы, опубликованы в 13 научных трудах, в т.ч. 2 изобретениях.

ОБЪЕМ РАБОТЫ

Диссертационная работа состоит из введения, 5 разделов, выводов и рекомендаций. Работа изложена на 231 странице машинописного текста, содержит 31 таблицу, 38 рисунков, включает список литературы из 108 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность решаемых в диссертаций задач, целесообразность использования отходов горно-рудной, химической промышленностей, шлаков черной и цветной металлургии Казахстана с целью получения тамлонажных утяжеленных цементов со специальными и легко регулируемыми свойствами и разработки технологии их получения и применения для качественного строительства скважин. Дана общая характеристика работы.

В первой главе приведен критический анализ факторов, влияющих на качество крепления и разобщения продуктивных горизонтов в скважинах с аномально высокими пластовыми давлениями и температурами применяемыми в этих условиях утяжеленными цементами и существующими технологиями их получения и применения. Вопросам разработки специальных утяжеленных тампонажных цементов посвящены исследования А. И.Булатова, В.С.Данюшевского, М.Р.Мавлютова, Ф. А. Агзамова, НЛ.Каримова, Ш.М.Рахимбаева, В.М.Кравцова, А.А.Клюсова, Ю.С.Кузнецова, В.П.Овчинникова, В.С.Бакшутова, Д.Ф. Новохатского, У. Д. Мамаджанова, А. У. Шарипова, С.М.Баша, Т.В.Кузнецовой, Э.А.Липсона, Л.С.Запорожец и других. В них приведены результаты исследований составов, технология получения утяжеленных цементов на основе портландцемента и барита, а также некоторых промышленных отходов. Эти исследования внесли существенный вклад в повышение качества крепления скважин и разобщения продуктивных горизонтов в сложных геологических условиях и развитие буровой науки в целом.

Для аномально высоких пластовых давлений и температур (Ка=1,8... 2,5; Т=250 °С) при цементировании скважин необходимо применять специальные утяжеленные цементы, растворы из которых седиментационно устойчивы, имеют низкую водоотдачу, улучшенные реологические свойства. Цементы должны формировать безусадочный или расширяющийся, коррозионно- и температуростойкий камень с плотной структурой и повышенной прочностью. Исследования, проведенные в КазНИГРИ и АО КазНИГРИ, показали, что в определенной степени указанным требованиям цементирования скважин в сложных геологических условиях в Казахстане удовлетворяют тампонажные материалы, изготовленные по дезинтеграторной технологии с использованием промышленных отходов. Однако, как показали результаты бурения, для новых перспективных регионов с более сложными геологическими условиями указанные тампонажные материалы не всегда обеспечивают качественное крепление скважин и разобщение продуктивных горизонтов.

На основе анализа литературных и промысловых данных по технологии получения и применения утяжеленных цементов, а также исходя из особенностей геологических условий, определены требования и проведена сравнительная оценка применяемых утяжеленных цементов. Это позволило обосновать теоретические аспекта разработки новых составов, обосновать технологию получения утяжеленных цементов с использованием дезинтегратора, позволяющего обеспечить регулирование свойств полученных материалов в широких пределах. Сформулированы цель и задачи работы.

Во второй главе описаны методы и средства исследований.

Физические свойства, химический и минералогический состав использованных материалов определялись общепринятыми методиками исследований. Рентгеноструктурный анализ образцов промышленных отходов, утяжеленных цементов, продуктов гидратации цемента производился на установке "Дрон-УМ1", дифференциально- термический

анализ - на дериватографе ДО-ЮЗ (ВНР). Удельная поверхность порошков тампонажных материалов и их компонентов оценивалась на приборе ПСХ-4.

Основные технологические свойства исследуемых и разрабатываемых утяжеленных цементов изучались по стандартным методикам согласно ГОСТ. Характеристики не нормируемых ГОСТом параметров, в частности, расширение и водоотдача в условиях высоких температур и давлений, определялись на специально разработанных в АО КазНИГРИ приборах.

Исследуемые материалы обрабатывались в лабораторном дезинтеграторе типа Д-72 и Д-32.

В третьей главе приведены результаты исследований промышленных отходов и местных материалов в качестве сырьевых компонентов и добавок для производства утяжеленных и тяжелых цементов. Совместно с сотрудниками АО КазНИГРИ были изучены шлаки черной и цветной металлургии, отходы химической и горнорудной промышленности, а также отдельные тяжелые руды Республики Казахстан. Анализ химико- минералогического состава, а также физико-механических свойств указанных шлаков и отходов показал, что в качестве компонентов и утяжеляющих добавок в составе спеццементов могут быть использованы: шлаки производства ферросплавов алюмотермическим способом - ферротитановый шлак (ФТШ); шлаки рафинированного феррохрома - высококальциевый саморассыпащийся (СРШ); отработанный синтетический шлак (ОСШ) сталеплавильного производства; шлаки цветной металлургии - никелевые, медные; свинцовые, железные , хромитовые, никелевые, целеетиновые, медные, медно-молибденовые руда. Хроматный шлам может быть использован как расширяющая добавка к утяжеленным цементам.

Основываясь на результатах исследований, проведенных Ново-хатским Д.Ф., Рахимбаевым Ш.М., Каримовым Н.X., Запорожец Л.С., была • изучена активность шлаков для использования их в качестве

вяжущей основы для утяжеленных цементов. При этом исследовался фазовый состав продуктов твердения ФТШ, СРШ,ОСШ, никелевого и свинцового шлаков в нормальных и автоклавных условиях в присутствии щелочного активатора и без него. Бри температурах 50... 160 °С и давлении 50 МПа по данным РСА при твердении ФТШ образуются гиббсит, кубический гидроалюминат и гидрогранат, рефлексы которых четко обнаруживаются в продуктах гидратации. Необходимо отметить, что в присутствии щелочного активатора степень гидратации при 50 °С повышается и находится на уровне 23...32%.

Исследование продуктов твердения СРШ методом РСА показало, что при температуре ниже 75 0 С гидравлическая активность шлака низкая. В автоклавных образцах, начиная с 75 °С, обнаруживается СБН(В), который в образцах, твердевших при температурах выше 130 0С, переходит в тоберморит. Периклаз, содержащийся в СРШ в количестве 9 ... 11% , в автоклавных условиях образует брусит -йЙ(0Н)2. Также в продуктах твердения СРШ обнаруживается гидрогранат, близкий к С3 А30 _ 4 з *Н5 _44.

Таким образом, было показано, что ФТШ и СРШ при высоких температурах могут быть использованы как вяжущая основа утяжеленных цементов.

Продуктами гидратации ОСШ в нормальных условиях являются высоко- и низкоактивные гидроалюминаты кальция С4АН13, САН10, низкокремнеземистый гидрогранат С3А30>9 * Н4_3 , гиббсит, АЬ203 * ЗН20 и гидрогеленит С3А5Н8. Камень из ОСШ, твердевший в нормальных условиях, имеет в 2-х суточном возрасте прочность на изгиб 5,2... 6,1 МПа. ОСШ обладает хорошо выраженными вяжущими свойствами алюминатного типа твердения и может быть вяжущей основой утяжеленных цементов с расширяющими свойствами в широком интервале температур при введении в его состав соответствующих утяжеляющих добавок.

Свинцовые шлаки начинают проявлять гидравлическую активность при температурах выше 120 °С. При добавке щелочных активаторов они могут проявлять вяжущие свойства и при температуре 50 °С. Добавка кремнезема также улучшает гидравлическую активность шлака.

Никелевые шлаки начинают проявлять вяжущие свойства при температуре 100 °С и более, а при механохимической дезинтегра-торной активации - начиная с 70 °С. В образцах, твердевших при температуре 120 °С, обнаружены железистые гидрогранаты, одноосновные гидросиликаты кальция и Мя(0Н)2.

На основе вышеизложенного разработаны составы бесклинкерных утяжеленных тампонажных вяжущих, свойства которых приведены в таблице.

Из таблицы видно, что рассмотренные шлаки позволяют получить утяжеленные цементы для условий АВПД и широкого температурного интервала (22... 250 °С) при достаточно высоких показателях прочности при изгибе: 1,8... 2,5 МПа при температуре 22 °С и 6,8... 8,5 МПа при температуре 250 °С. Составы, содержащие ФТШ, СРШ и жидкое стекло, близки к высокоглиноземистому цементу и, гак же как последний, характеризуются большой стойкостью в сульфатных, магнезиальных и сероводородных средах. Низкое содержание оксида кальция и кремнезема в составе вяжущего пополняется за счет добавления шлака рафинированного феррохрома, который содержит Сао - 50.. . 52%, БЮг - 25... 28%.

Высокое содержание глинозема в ФТШ , оксида кальция и кремнезема в СРШ обеспечивает получение утяжеленного бесклинкерного вяжущего алюминагно-силикатного типа твердения с плотным, непроницаемым и прочным камнем. Это вяжущее рекомендовано для использования в скважинах с АВПД и в температурном интервале (20... ...200 °С).

С целью повышения термостойкости камня до 350 0 С в состав

Таблица

Технологические свойства бесклинкерных утяжеленных тампонажных цементов, твердевших в течение 2-х суток

Состав, % влд Плотность, кг/см3 Рас-текае-мость, мм Прочность на изгиб/сжатие, МПа при температуре, °С / давлении,МПа

ФТШ СРШ СШ НШ ЖС ХМР 22 0,1 75 50 100 50 130 50 160 50 200 50 ¡250 _1 50

45,5 45,5 - - 9,0 - 0,3 2100 190 2,5 3,2 ¿2 7,7 &0 12,5 10 50 2А 18,6 -

- - 91 - 9,0 - 0,27 2300 . 205 1Л 3,1 - 2Л 4,7 18 5,6 М 9;6 5^8 14,3 1Л 18,6

45 23 - - 9.0 23 0,32 2160 190 - - 4*1 13,4 54 17,6 6,77 24,6 2Л 30,3 8^5 38,3

- - - 91 9,0 - 0,30 2350 200 - м 5,6 - 5,3 12,6 6,0 18,1 - м 20

ФТШ - ферротитановый шлак, СРШ - саморассыпающийся шлак, СШ - свинцовый шлак,

НШ - никелевый шлак,

ХМР - «хвосты» обогащения медно-молибденовых руд, ЖС - жидкое стекло

бесклинкерных цементов на основе ФТШ и СРШ вводились "хвосты" обогащения медно-молибденовых руд Балхашского медеплавильного комбината, которые представляют собой мелкозернистый порошок, состоящий на 85...90% из S102. По данным РСА и термографического анализа при твердении указанных цементов образуется волокнистый тоберморит Са5* (Si6 *018*Н2)*4Н20 и высококремнеземистые гидрогранаты состава 3Ca0*AL203 (1, 5-1, 6) # Si02 (2,8 - 3,0) *Н2 0, стабильные до 360 °С и обладающие хорошей прочностью.

Аналогично была показана возможность получения утяжеленных цементов и на основе свинцовых и никелевых шлаков. По данным РСА в составе продуктов твердения при температурах выше 130 °С обнаружены гидрогранаты кальция, железистые гидрогранаты и тоберморит. Наличие периклаза обеспечивает камню безусадочность за счет расширения при образовании Mg(0H)2.

Все бесклинкерные утяжеленные цементы при температурах выше 100 0 С имеют начало загустевания меньше 1ч.40 м . Замедлителями сроков схватывания в данном случае, как показали исследования, могут быть традиционные реагенты - НТФ и др.

С использованием целестиновой, хромитовой, никелевых руд Казахстана и портландцемента также были разработаны несколько видов утяжеленных цементов и исследованы их физико-химические и технологические свойства. Плотность тампонажного раствора из этих цементов легко регулируется в пределах 2000-2350 кг/м3 за счет изменения В/Ц и количества утяжеляющих добавок-руд. Температурный интервал применения утяжеленных цементов с добавкой руд 20...200 0С. Термостойкость камня рекомендуется нами повысить до 250... 300 °С за счет введения в состав цемента "хвостов" обогащения медно-молибденовых руд. Камень, полученный из утяжеленных цементов с добавкой указанных руд, практически газо-нефте-водо-непроницаемый, плотный, поры очень мелкие, в основном, замкнутые. Следует отметить, что целестиновые, хромитовые и никелевые

руды характеризуются большой химической инертностью и высокой водостойкостью. Все это предопределяет высокую коррозионную стойкость камня из указанных цементов.

Поскольку одним из важных факторов получения надежного изоляционного комплекса скважин является способность цементов к расширению в ранние сроки твердения, была исследована возможность использования некоторых промышленных отходов в качестве расширяющих добавок в составе разработанных утяжеленных цементов. В наибольшей степени, по плотности, водопотребности и кинетике расширения этим требованиям удовлетворял хроматный щлам -отход производства хромовых солей, имеющий плотность 3200...3300 кг/м3 и MgO в своем составе. Кривые кинетики расширения цементов с добавкой 20... 30% хроматного шлама имеют три характерных участка: 1-й - водоотделение раствора, 2 - й , отражающий индукционный период в процессе расширения; 3-й - период расширения цементного камня. Увеличение температуры от 80 до 200 °С приводит к уменьшению индукционного периода от 10 до 2 часов. При температуре 200 °С расширение практически заканчивается и достигает своего максимума в течение 36 часов, а при температуре 80 °С - на третьи сутки. При применении хроматного шлама температура твердения оказывает большее влияние на интенсивность расширения, по сравнению с каустическим магнезитом. Данный факт объясняется образованием Mg(ОН)2,помимо образования гидрохромалюмина-тов кальция, гидратацией и других составляющих хроматного шлама.

Введение расширяющей добавки значительно увеличивает силу сцепления цементного камня с ограничивающими поверхностями. Например, после суточного твердения утяжеленного цемента с добавкой хромитовой руды сцепление камня с металлом составило 0,8 ... 1,2 МПа. При введении 20% каустического магнезита она возрастает в 2-3 раза, а с добавкой хроматного шлама в 10 - 11 раз по сравнению с контрольными образцами.

Прочностные характеристики расширяющихся утяжеленных цементов несколько ниже, чем у обычных утяжеленных цементов, хотя значительно выше требований ГОСТ. Это объясняется тем, что образцы из расширяющихся цементов, твердевших в автоклавных условиях, имеют большие внутренние напряжения, которые при вскрытии автоклава снижают прочность камня. Естественно, в скважинных условиях прочность камня будет еще выше, сохранится лучше.

Кроме того, ввод хроматного шлама в состав утяжеленных цементов значительно улучшает реологические свойства раствора за счет солей хрома.

Учитывая, что в Казахстане бурение и цементирование скважин производится в солевых средах, а также ингибирующее, положительное влияние солевого фильтрата цемента на сохранность коллекторов продуктивного пласта, было исследовано влияние солей на кинетику расширения утяжеленных цементов с добавкой хроматного шлама.Установлено, что наилучшие результаты получены при введении в состав цемента комплексных солей (СаС12 и йаС1), получаемых выпариванием дистиллерной жидкости - жидкого отхода содового производства. При этом расширение возрастает на 0,7... 1,0%, прочность камня увеличивается на 30... 40%, снижается водоотделе-ние и улучшается седиментационная устойчивость раствора.

Таким образом, на основе проведенных исследований установлена возможность получения утяжеленных расширяющихся цементов из промышленных отходов и местного сырья Казахстана с регулируемой в широких пределах величиной расширения и отвечающих требованиям цементирования скважин в сложных горно-геологических условиях при наличии зон АВПД, высоких температур, рапопроявлений и текучих пород.

Управлять свойствами утяжеленных тампонажных цементов можно добавками реагентов-пластификаторов: С-3, полиглицерина, НТФ, НТФ+полиглицерина,В-2, действие которых на разработанные цементы

проверялось специальными экспериментами. Указанные реагенты приводят к увеличению растекаемости, снижению водоотделения и водоотдачи раствора и увеличению прочности камня, в частности, увеличение количества полиглицерина до 1,0% от массы утяжеленного цемента приводит к понижению начального водосодержания от 0,4 до 0,28 . При этом водоотдача составляет 65...40 см3/30 мин. Прочность камня достигает максимума при 0, 4% полиглицерина, увеличение его концентрации до 1,0% уменьшает прочность камня до 2,3 МПа из-за замедления скорости гидратации в ранние сроки твердения, однако в более поздние сроки твердения прочность у образцов с добавкой полиглицерина выше, чем у контрольных.

В четвертой главе приведены результаты исследований по разработке дезинтеграторной технологии получения тампонажных утяжеленных цементов. Для этого было исследовано влияние дезинтеграторной обработки на технологические свойства разработанных утяжеленных цементов и показано, что каждый вид цемента в зависимости от вида утяжеляющей добавки имеет оптимальный режим дезинтеграторной обработки. Исследования, проведенные нами совместно с Измухамбетовым Б.С., показали, что при получении многокомпонентных смесей важна тонина предварительного измельчения исходных компонентов перед последующим применением дезинтеграторной активации. Для приготовления утяжеленных цементов удельная поверхность портландцемента должна быть в пределах 1900...2050 см2/г, а утяжеляющие добавки должны пройти подготовку и измельчение до оптимальной тонины в зависимости от твердости добавок. Если утяжеляющие добавки имеют твердость по шкале Мооса равную 1,5...3,5, , необходимая тонина предварительного измельчения утяжелителя равна 1700...1900 см2/г, а при твердости 5,5...7,5 она равна 2400...2500 смг/г. При такой тонине утяжелителей после совместной их обработки в дезинтеграторе с портландцементом с тониной 1900...2050 см2/г технологические параметры утяжеленных цементов получаются оптимальными при наименьших энергозатратах.

- 18 -

Также установлено, что после дезинтеграторной обработки тампонажных композиций на шлаковой или портландцементной основе с добавкой отходов и руд горно-рудной промышленности полученные тампонажные цементы приобретают специфические свойства. Для составов с "мягкими" утяжелителями (твердостью 1,5...3,5) при обработке их в режиме 4000...6000 об/мин или при скорости соударения частиц 55...80 м/с, водопотребность уменьшается на 20... 30%, что связано с уменьшением дефектности поверхности измельчаемых частиц. Повышение частоты вращения ведет к увеличению водопотреб-ности исследуемых составов и объясняется превалирующим действием увеличения дисперсности частиц и суммарной площади их поверхности, трещинообразованием. Для составов с "твердыми" утяжелителями твердостью 5,5...7,5 (хромитовая и никелевая руда) водопотребность уменьшается при режимах обработки 7000...7500 об/мин ( при скорости соударения частиц 90...100 м/с). Она растет при повышении частоты вращения. Смеси, содержащие "мягкие" утяжелители , имеют оптимальную водопотребность при обработке с частотой 3000 ...4000 об/мин или при скорости соударения частиц 50... 60 м/с. При постоянном водосмесевом отношении оптимальный режим обработки исследованных составов в дезинтеграторе обеспечивает и максимум растекаемости. За пределами оптимального режима обработки растекаемость уменьшается, причем резкое уменьшение наблюдается при увеличении частоты вращения дезинтегратора. Необходимо отметить, что при оптимальном режиме дезинтеграторной активации во-доотделение несколько увеличивается (до 2%), но остается значительно ниже требований стандартов и ТУ. С увеличением частоты вращения водоотделение умешыиается и становится равным 0 при 9000 об/МИН (120 м/с).

Независимо от крупности исходного материала при всех режимах активации прочность камня, полученного из утяжеленных цемен-

тов дезинтеграторного приготовления и твердевшего в нормальных условиях, имеет тенденцию к увеличению. Максимальное приращение прочности имеют смеси из утяжеленных цементов, имеющих исходную тонину для портландцемента 1900...2100 см2/г, а для утяжелителя - 1700 ... 1900см2/г и 2400...2500 смг/г в зависимости от их твердости. Прирост прочности составляет 30...45% по сравнению с прочностью камня из составов, полученных в дезинтеграторе, но с другой исходной удельной поверхностью. По нашему мнению, увеличение прочности можно объяснить тем, что при обработке в дезинтеграторе наряду с повышением дисперсности, увеличением поверхности частиц, развитием трещиноватости образуется больше пластически деформированных фаз с дефектной структурой, имеющей повышенную активность в отношении процессов кристаллизации по сравнению с другими способами помола.

При введении пластификаторов и других видов реагентов через жидкость затворения представляют определенные трудности доставка реагентов до места потребления, их хранение и применение из-за разливов, загрязнения почвы и воды вблизи буровых. Кроме того, к моменту использования сухие утяжеленные цементы теряют свою активность за счет карбонизации поверхности частиц. При этом ослабляется в определенной степени действие реагентов. Исследования показали, что более эффективным приемом является совместная обработка в дезинтеграторе утяжеленных цементов и реагентов.

Для исследований были взяты утяжеленные цементы с добавкой хромитовой и никелевой руд и пластификаторы В-2 и полиглицерин, которые работают как пластификаторы, понизители водоотдачи и замедлители сроков схватывания при умеренных температурах. Показано, что пластифицированные утяжеленные цементы, полученные путем совместной обработки в дезинтеграторе цемента и пластификатора, обладают лучшими технологическими свойствами, при этом прочность камня из таких цементов в 1.8...2 раза выше, чем у контрольных.

Они также имеют высокую коррозионную стойкость благодаря плотной структуре камня. Применение данного способа введения пластификатора в состав цемента позволяет уменьшить количество вяжущего в смеси при сохранении требуемой прочности камня, особенно в поздние сроки твердения.

В пятой главе приведено описание промышленных дезинтегра-торных установок и промышленное внедрение разработок.

В результате проведенных исследований разработаны технологические режимы приготовления и активации утяжеленных тампонаж-ных цементов.

В цехе сухих тампонажных смесей (г.Актюбинск) спроектирована и смонтирована линия предварительной подготовки утяжелителей. Разработаны и смонтированы микродозаторы, позволяющие вводить пластификаторы в сухие утяжеленные цементы непосредственно в процессе их обработки в дезинтеграторе.

По разработанным технологическим режимам в цехе сухих тампонажных смесей по дезинтеграторной технологии изготовлены утяжеленные цементы в количестве 12680 т, из них 5370 т с расширяющими свойствами, 1665 т - утяжеленные бесклинкерные, а 5645 т -утяжеленные цементы с добавкой хромитовой, никелевой и целести-новой руд. Получен экономический эффект 4875371 тенге, сэкономлено более 5000 т тампонажного портландцемента.

Применение в промышленном масштабе утяжеленных тампонажных цементов, изготовленных по дезинтеграторной технологии из промышленных отходов и портландцемента, позволило решить ряд трудных проблем крепления скважин и разобщения продуктивных горизонтов в сложных геологических условиях Казахстана. Повышена надежность изоляционного комплекса скважин, уменьшены случаи заколонных газопроявлений и межпластовых перетоков на 30%. Интервал хорошего сцепления цементного камня с колонной по данньм АКЦ составил более 65%, против 40% обычно применяемых цементов.

- 21 -

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Установлено, что шлаки производства ферротитана, никеля и свинца могут быть использованы как вяжущие для получения утяжеленных цементов с добавкой отходов горно-рудной промышленности Казахстана.

2. Показана возможность получения тяжелых цементов за счет утяжеления жидкости затворения путем введения солей тяжелых металлов и применения в составе цементов тяжелых руд с плотностью более 7000 кг/м3.

3. Разработаны составы, технологии получения утяжеленных тампонажных цементов на основе местных материалов и отходов горно-рудной и химический промышленности, черной и цветной металлургии Республики Казахстан.

4. Обоснована и разработана энергосберегающая технология двухступенчатого помола утяжеленного цемента, включая предварительный помол клинкера до удельной поверхности 1900...2050 см2/г и утяжеляющей добавки до удельной поверхности от 1600 до 2100 см2/г в зависимости от ее твердости, с последующей совместной обработкой в дезинтеграторе грубодисперсного вяжущего и утяжеляющей добавки при рациональном режиме, обеспечивающем минимальную водопотребность утяжеленного цемента.

5. Разработаны составы пластифицированных утяжеленных тампонажных цементов на основе местных материалов и промышленных отходов с регулируемыми технологическими свойствами в широких пределах и обеспечивающих качественное крепление скважин в условиях аномальных пластовых давлений (коэффициент аномальности 1,9 ...2,6) и температур до 300 °С и агрессивных сред, в т.ч. и сероводорода.

6. Усовершенствована дезинтеграторная технология получения

утяжеленных цементов на основе промышленных отходов и местных материалов Казахстана, позволяющая сэкономить до 60% портландцемента для температурных условий до'100 0 С и исключающая портландцемент полностью для температурных условий 100... 300 °С.

7. Разработаны, изготовлены и внедряются в производство более современные конструкции дезинтеграторных установок и технологические линии для получения утяжеленных цементов с приданием им специальных свойств за счет механохимической активации.

8. Разработки и рекомендации прошли промышленную апробацию и внедряются при бурении глубоких скважин в условиях аномальных пластовых давлений и температур на новых и разрабатываемых нефтегазовых месторождениях Казахстана.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Г.А.Семенычев, П.С.Шмелев, Б.Н.Москаленко и др.Методические рекомендации по контролю и связыванию сероводорода при проводке глубоких скважин в Прикаспийской впадине. / Саратов, НВНИИГГ, 1990, 83 с. -

2. Москаленко Б.Н., Шмелев П.С., Бородин В.А.и др. Методические рекомендации по предотвращению открытых фонтанов и защите окружающей среды при строительстве скважин предприятиями ГТУ "Прикаспийгеология" /Саратов, НВНИИГГ, 1989.

3. Семенычев Г.А., Шмелев П.С., Москаленко Б.Н. Предупреждение и ликвидация осложнений . связанньк с газопроявлениями в Прикаспийской впадине/Газовая промышленность, N 5,1990.

4. Иванов В.В., Каримов Н.X., Москаленко Б.Н.и др.Расширяющийся тампонажный состав/Патент РФ, N 1789014, БИ N2, 1993

5. Москаленко В.Н., Умралиев Б.Т., Васильев В.В. Разработка шлакощелочных тампонажных композиций для крепления/ Материалы научно-тематической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Уфа, УГНТУ, 1995г, с. 36.

6. Москаленко Б.Н., Умралиев Б. Т., газизов X. В.. Агзамов Ф. А. Дезинтеграторная обработка тампонажных смесей с карбонатными добавками /Материалы научно-тематической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Уфа, УГНТУ, 1995, с.34.

7. Москаленко Б. Н., Ткачев В. И., Запорожец Л.С., Танкибаев М.А. Утяжеленные термостойкие тампонажные растворы плотностью до 2300 кг/м3 /Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы нефтегазового комплекса России". Уфа, 1995, с. 34.

8. Москаленко Б.Н., Ткачев В. И. Опыт получения и применения утяжеленных цементов в Западном Казахстане /Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы нефтегазового комплекса России". Уфа, 1995,с.38.

9. Акылбеков С, А. .Битимбаев М.Ш., Даукеев C.JK, Москаленко Б.Н.и др. Свойства, потребление и производство основных видов минерального сырья./Мингео Республики Казахстан, Алматы, 1995, 186 с. с ил.

10. Каримов И.Н., Агзамов Ф.А.,Москаленко Б. Н., йзмухамбетов Б.С. Использование местных материалов и промышленных отходов для получения тампонажных материалов /Тезисы международной конференции "Проблемы подготовки кадров для строительства и восстановления нефтяных и газовых скважин на месторождениях Западной Сибири", Тюмень, 1996,С.124-125.

И. Агзамов Ф.А. .Москаленко Б.Н..Газизов X.В.,Каримов И.Н. Порошкообразные материалы из промышленных отходов и местного сырья для строительства скважин/Тезисы международной научно-технической конференции "Современные проблемы строительного материаловедения", ч. 5, Казань, 1996, с. 67-68.

12. К вопросу прогнозирования поведения горных пород при взаимодействии с буровыми растворами /Байзаков М.К.,Москаленко Б.Н.,Алимжанов М.Т. и др.//Механика и моделирование процессов

технологии. т,Алматы.изд-во HAH,1996,с.67-69.

13. Москаленко Б.Н., Смагулов Б.А., Тасимов К.А. Анализ :тепени разупрочнения породы приствольной зоны буровым раствс юм/ Тезисы 1-го Республиканского съезда по теоретической ¡рикладной механике, Алмагы,1996,с.223.

Соискатель Москаленко Б.Н.

Фонд содействия развитию научных исследований

Лицензия ЛР №030678 от 22.01.96 Подписано к печати 16.12.96. Тираж 100 экз.Зак.5 .г.Уфа, ул.Заводская 8-22