автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.10, диссертация на тему:Совершенствование составов тампонажных материалов для повышения качества разобщения пластов в арктических скважинах

На правах рукописи Для служебного пользования Экз № №

КЛЮСОВ ВСЕВОЛОД АНАТОЛЬЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СОСТАВОВ ТАМПОНАЖНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА РАЗОБЩЕНИЯ ПЛАСТОВ В АРКТИЧЕСКИХ СКВАЖИНАХ

Специальность 05.15.10 - Бурение скважин

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тюмень-2000

Работа выполнена вТюменской государственной архитектурно-, строительной академии ( ТюмГАСА)

Научный руководитель Научный консультант

к.т.н., доцент Кривобородов Ю.Р. к.т.н., доцент Малышкин А.П.

Официальные оппоненты: - д.т.н., профессор Поляков В.Н.

к.т.н., ст. науч. сотр. Добрянский В.Г.

Ведущее предприятие:

Тюменский государственный научно-исследовательский и проектный институт природного газа и газовых технологий ( ТюменНИИгипрогаз )

Защита диссертации состоится 16 июня 2000 года в 1600 часов на заседании диссертационного совета Д 064.07.03 при Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу: 625039, г. Тюмень, ул. 50 лет Октября, 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТюмГНГУ по адресу: 625000, г. Тюмень, ул. Володарского, 38.

Автореферат разослан 13 мая 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного спирта

Международные обозначения химических соединений и условные сокращения :

д.т.н., профессор

С - СаО А -А1А Б - Ре203 Б - БЮ2

я - 804 ДТА - дифференциально-термический анализ с - СОз РФА - рентгенофазовый анализ Н - Н20 ИКС - инфракрасная спектроскопия

ЭМ - электронная микроскопия МД -микродифракция

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы исследований. Освоение нефтегазовых месторождений Крайнего Севера и шельфа арктических морей России представляет значительные трудности из-за сложных геокриологических условий строительства скважин. Мощность многолетнемерзлых пород (ММП) достигает 500 м, температура - минус 6 °С. Толща ММП представлена в основном мерзлым песчаником и содержит талые водоносные и неводоносные прослои. Температура в межмерзлотяых таликах близка к "нулевой".

Практика показывает, что традиционно применяемые технологии строительства скважин в условиях ММП не в полной мере обеспечивают повышение качества разобщения пластов и надежность конструкции скважин, о чем свидетельствуют интенсивные газопроявления, потеря продольной устойчивости и смятие колонн при проседании и обратном промерзании пород и жидкостей, оставленных в заколонном и межколонном пространстве. Как правило, указанные осложнения являются следствием использования низкоактивных тампо-нажных цементов, которые даже в сочетании с ускорителями схватывания не обеспечивают твердения и заданного набора прочности в условиях мерзлоты. Попытка использования т.н. "тепловых" методов интенсификации твердения приводит к еще более опасным последствиям - возрастанию водоотстоя в результате растепления ММП и деструкции цементного камня вследствии возникшего массопереноса в кольцевом пространстве.

В результате научно-технического анализа всех аспектов цементирования

скважин сделан вывод о том, что условиям ММП наиболее полно отвечают арктические гипсоцеменгаые тампонажные смеси зарубежных фирм, которые не требуют дополнительного подогрева жидкости затворения и "дродавки". Однако они также не могут эффективно использоваться в условиях геокриологического разреза месторождений России из-за повышенного водоотстоя-усадки раствора (при В/Ц = 0,38) и низкой водостойкости камня, приводящей к его разрушению в водонасьнценных зонах.

Цель работы. Разработка и совершенствование составов и технологии приготовления тампонажных материалов на основе смешанного вяжущего, обеспечивающих повышение качества разобщения пластов в арктических скважинах.

Основные задачи.

1. Провести анализ осложнений и причин некачественного крепления скважин в сложных геокриологических условиях Крайнего Севера.

2. Исследовать свойства арктических гипсоцементных смесей зарубежных фирм и определить основные теоретические предпосылки улучшения их свойств.

3. Установить закономерности процессов гидратации в системах алюминатов кальция и полутидрата гипса при пониженных температурах.

4. Показать практическую применимость развиваемых научных представлений к разработке тампонажных материалов на основе смешанных вяжущих.

5. Организовать выпуск, провести опытно-промышленные испытания и разработать инструкцию по применению арктического цемента.

Научная новизна.

2. Установлены факторы, обеспечивающие получение гипсоцементных тампонажных композиций со стабильными свойствами.

2. Выявлены закономерности процессов гидратации в системах алюминатов кальция и полугидрата гипса при пониженных температурах. С точки зрения теории гомогенного и гетерогенного зародышеобразования уточнен механизм гидратации полугидрата гипса.

3. Раскрыт механизм и предложены пути компенсации водоотделения -усадки раствора и получения на основе гипсоцементных смесей безусадочного камня с повышенной водостойкостью.

Практическая ценность и реализация работы в промышленности.

На основании результатов теоретических, экспериментальных и промысловых исследований разработаны:

- принципы повышения структурной долговечности гипсоцементных тампонажных композиций;

- составы и технология приготовления водостойких безусадочных гипсоцементных тампонажных композиций с использованием в качестве модификаторов глиноземистого шлака и гидрокарбоалюмината кальция, вступающих во взаимодействие с гипсом с образованием эттрингита;

- составы тампонажных композиций: пониженной плотности, для прове-

деняя водоизояяциониых работ и перекрытия продуктивной толщи пласта.

На основании опытно-промышленных испытаний на БГКМ разработана "Инструкция по применению тампонажного цемента для арктических условий (Аркцемент)". "Аркцемент" включен в рабочие проекты на строительство разведочных скважин Уренгойского и Ямсовейского месторождений.

Основные защищаемые положения.

1. Результаты исследования арктических гипсоцементных смесей зарубежных фирм, их преимущества и недостатки.

2. Закономерности процессов гидратации в системах алюминатов кальция и полугидрата гипса при пониженных температурах.

3. Механизм и пути компенсации водоотделения - усадки раствора и получения на основе гипсоцементных смесей безусадочного камня с повышенной водостойкостью.

4. Составы и технология приготовления арктических водостойких безусадочных гипсоцементных смесей и составы тампонажных композиций: пониженной плотности, водоизоляционкых, с кислоторастворимым компонентом -для перекрытия продуктивной толщи пласта.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались на Международной научно-методической конференции "Проблемы подготовки кадров для строительства и восстановления скважин на месторождениях Западной Сибири" (Тюмень, 1996), Международной научно-практической конференции "Ресурсосберегающие технологии в области использова-

ния природного газа" (Тюмень, 1996), Всероссийской научно-практической конференции "Экологические проблемы и решение задач по длительной сохранности недр и окружающей среды..." (Тюмень, 1997), XVI Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (С.-Петербург, 1998), III Всероссийской научной конференции "Фундаментальные проблемы нефти и газа" (Москва, 1999), III Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России "Новые технологии в газовой промышленности" (Москва, 1999), IV Международной конференции "Освоение шельфа арктических морей" (С.-Петербург, 1999), Международной конференции "Долговечность и защита конструкций от коррозии" (Москва, 1999), академических чтениях "Развитие теории и технологии в области силикатных и гипсовых материалов" и III научно-практической конференции молодых учёных, аспирантов и докторантов "Строительство - формирование среды жизнедеятельности" (Москва, 2000), И съезде российского керамического общества и научно-практической конференции (С.-Петербург, 2000).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 19 научных работах, в т.ч. 1 научно-техническом обзоре, 9 статьях, 7 тезисах и 2 патентах РФ на изобретения.

Объём и структура работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников, включающих 87 наименований, и 3 приложений. Объём работы 205 стр., в т.ч. 33 рис. и 24 табл.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована ее цель, приведены основные научные и практические результаты, определены научные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе приведена геокриологическая характеристика основных газовых и газоконденсатных месторождений Севера Западной Сибири. Рассмотрены осложнения при строительстве скважин и установлены факторы их обусловливающие. На основании анализа эффективности применяемых технологий цементирования, тампонажных материалов и добавок к ним обоснованы требования к тампонажным материалам для условий ММП и определены наиболее эффективные технологии цементирования арктических скважин с использованием тампонажных материалов на основе смешанных вяжущих.

Анализ геокриологического строения Уренгойской группы месторождений показал, что мерзлые толщи распространены повсеместно с преобладанием сливающегося типа ММП. Подошва ММП находится «а глубине 480-430 м в глинопесчаных отложениях Тибейсалинской свиты. Температура в верхней части ММП достигает -5 °С, в межмерзлотяых таликах близка к 0 °С, а в нижней части - колеблется от -1 до -2 °С. Характерные осложнения при строительстве скважин (образование воронок, проседание пород, интенсивное каверно-образование и поглощение бурового раствора, выделение болотного газа и во-допроявления) обусловлены как температурной, так и структурной неоднородностью ММП: сочетанием мерзлых пород, сцементированных и несцементиро-

ванных льдом, с включением прослоев льда, ледяных линз и водоносных горизонтов (таликов); наличием в разрезе пород с низкими градиентами гидроразрыва. Еще более жесткие условия на месторождениях п-ва Ямал, где температура ММП достигает минус 7 °С. Все это определило особые требования к качеству цементирования скважин и, прежде всего, применяемым тамлонажным материалам. Различным аспектам разработки специальных тампонажных материалов, в т.ч. для низкотемпературных скважин, посвящены работы О.К.Анге-лопуло, Ф.А.Агзамова, Л.А.Алексеева, В.С.Бакшугова, А.И.Булатова, В.И.Вяхирева, В.С.Данюшевского, В.Г.Добрянского, Г.П.Зозули, Н.Х.Каримова, Ю.С.Кузнецова, Т.В.Кузнецовой, Ю.Р.Кривобородова, В.И.Крылова,В.Т.Коше-лева, В.И.Корнеева, А.А.Клюсова, Э.Н.Лепнева, А.Я.Липовецкого, МР.Мавлю-това, Р.И.Медведского, Д.Ф.Новохатского, А.П.Осокина, В.П.Овчинникова, В.Н.Полякова, Ш.М.Рахимбаева, А.П.Телкова, А.У.Шарипова, Д.Бенстеда, М.Гудмэна, В.Каннингема, Д.Майера, Д.Стъюда, Л.Ференбаха и др. Эти работы внесли существенный вклад в повышение качества крепления скважин и разобщения пластов в сложных горногеологических условиях.

К сожалению, на протяжении ряда лет при разработке арктических месторождений в нашей стране бытовало ошибочное мнение, согласно которому для формирования цементного камня в ММП вполне достаточно естественной положительной температуры, поддерживаемой в процессе бурения и цементирования скважины. Однако при этом не учитывался массоперенос при твердении цементного раствора из-за возникшего градиента температуры как по гори-

зонтали - между колонной и породой, так и по вертикали - вследствие высокой теплоемкости труб и конвекции жидкости в затрубном пространстве, приводящий к формированию дефектной структуры камня (более плотной у колонны и рыхлой у породы) с образованием в области "нуль-изотермы" подвижных цилиндрических зон. Еще более опасен т.н. "тепловой" метод интенсификации твердения, при котором происходит растепление и проседание ММП, возрастание В/Ц-фактора, приводящие к образованию замерзающих "водяных поясов" и деструкции цементного камня. В связи с этим , по-видимому, стандартом АНИ (р.10) затворение и "продавку" раствора рекомендовано проводить на ледяной воде (не > 4 °С). При этом к тампонажному раствору предъявляются требования схватывания в короткий период и набора прочности на сжатие через 8 ч не < 2,1 МПа при абсолютном значении отрицательной температуры большем или, по крайней мере, равном значению температуры мерзлоты (-7 °С). На основании проведенного анализа установлено, что этим требованиям отвечают гипсоцементные тампонажные смеси зарубежных фирм.

Во втором разделе приведены экспериментальные исследования физико-механических свойств и фазового состава новообразований при гидратации гипсоцементных смесей "Пермафрост" фирмы Халлибуртон, "Пермавелл" фирмы Партек, "Коулдсет" фирмы Байрон Джексон, "облагораживающих" добавок фирмы Доуэлл Шлюмберже, ранее предложенных газовой отрасли для цементирования арктических скважин.

В результате проведенных исследований арктических гипсоцементных

смесей зарубежных фирм наряду с преимуществами выявлены их существенные недостатки: повышенный водоотстой - усадка раствора (4,5 % при В/Ц = 0,38 и 10 % при В/Ц = 0,5), приводящая к образованию замерзающих "водяных" поясов; низкие водостойкость (Кюд = 0,66-0,71) и морозостойкость (Ки = 0,75) камня за счет высокого содержания неводостойкого материала -гипса.Это подтверждается результатами РФА, ДТА и ИКС, свидетельствующими о значительном содержании полугидрата пшса в исходной смеси (> 50 мас.%) и двугидрата гипса как основного структурообразующего элемента камня. Указанные недостатки могут привести к смятию колонны при повторном замерзании жидкости, размыву контактной зоны в системе "порода-цементное кольцо-колонна", разрушению камня, "оголению" башмака кондуктора при последующем бурении и, как следствие, потере устойчивости последнего, а также загрязнению пластовых вод БО^'-ионами и сульфатной коррозии труб. То же самое относится к "лежалому" цементу отечественного производства, для восстановления свойств которого в условиях Бованенковского ГКМ фирмой Доуэлл Шлюмберже предложено вводить 4 компонента, в т.ч. полугидрат гипса (Cold Set П) в количестве 150 % от массы цемента. Такое же содержание полугидрата гипса (Д-053) в гипсоцементной смеси "Коулдсет". Облегченным тампонажным растворам плотностью 1,45 и 1,60 г/см3 на основе гипсоцементной смеси "Пермавелл" и супероблегченных микросфер свойственны те же недостатки. Кроме того, из-за резкого разделения фаз в образцах при 0 °С фиксируется только начало схватывания, свойственное осевшей гипсоцементной

смеси.

На основе существующих представлений о физико-химии вяжущих веществ выдвинута гипотеза о возможности улучшения свойств арктических гип-соцементных смесей путем их модифицирования с расчетом на преимущественное образование гидросиликатов кальция C-S-H и термодинамически устойчивой при пониженных температурах расширяющейся высоководной фазы -эттрингита (C3ACS3H32) как основных структурообразующих элементов водостойкого камня. Это может быть осуществлено в двух вариантах: связыванием гипса алюминатами или гидроалюминатами кальция, либо их железо- или карбозамещёнными аналогами.

В третьем разделе для подтверждения вышеизложенной гипотезы с помощью современных методов термодинамического и физико-химического анализов исследованы процессы гидратации в системах алюминатов кальция и гипса при пониженных температурах.

На основании изучения гидратации мономинералов - алюминатов кальция и их совокупности - глиноземистого цемента следует, что его главная высокоактивная фаза - СА гидратирует со значительным выделением тепла, по сравнению с портландцементом, и быстрым увеличением прочности на сжатие до 30-70 МПа в течение суток. Ход гидратации и возникновение гидратных фаз зависят от температуры. При температурах ниже 20 °С преимущественно образуются гексагональные гидраты САНю и САН8, которые метастабильны и со временем перекристаллизовываются в кубическую форму СзАН6,

занимающую вдвое меньший объем. Скорость перекристаллизации резко возрастает с повышением температуры и влажности. Разрушение камня на основе СА и глиноземистого цемента еще более усиливается при карбонизации и в присутствии щелочной среды.

Гидратация гипса характеризуется пятью основными периодами, судя по результатам термокинетических и ультраакустических исследований. В отличие от известных представлений процесс гидратации сопровождается образованием блокирующих оболочек и ростом кристаллов двугидрата на поверхности исходного полугидрата гипса, что подтверждается ЭМ- и МД-анализами и соответствует кинетической теории гомогенного и гетерогенного зародыше-образования. Наиболее предпочтительной добавкой, ускоряющей схватывание, повышающей прочность и расширение гипсового камня является №С1. СаСЬ способствует резкому сбросу прочности камня (в 2,1 раза) при концентрациях, необходимых для снижения температуры замерзания жидкой фазы композиций на основе портландцемента. Термодинамические расчеты, проведенные Кузнецовой Т.В, и подтвержденные экспериментальными исследованиями показали, что гидратация мономинералов СА, СА2 и СпА7 с гипсом приводит к образованию термодинамически устойчивой фазы эттрингита. Термодинамические расчеты, проведенные нами в системах "СзА-гипс-вода" и "С4АР-гипс-вода" для 20, 5, 0 и -5 °С указывают на наибольшую стабильность эттрингита или его же-лезозамещенных аналогов и наименьшую - фазы моносульфоалюмината -СзАСзНп или его железозамещенной формы. Карбозамещенная форма -

СзАСсНп образуется в условиях доступа углекислоты при температурах >20°С. Образование эттрингита может представлено следующими уравнениями:

С3А + СН + 12Н —► С4АН13 + ЗСШ2 + 14Н -► С3АСЗ3Н32 + СН

С3АССН,2+ ЗСЗНо.5 + 18.5Н -► С3АСЗ3Н32 + Сс

СзАСсНц + 3CsH2 + 14Н -► C3ACs3H32 + Сс

Результаты РФА, ДТА, ЭМ- и МД-анализов свидетельствуют о том, что основными новообразованиями при гидратации минералов-плавней в насыщенном растворе галса является C3ACS3H32 (эффект при 150 °С, d = 9.61 А), скорость образования которого замедляется с понижением температуры; в слабонасыщенном - C3ACS3H32 (эффект при 135 °С, d=9.71 А) и С4АН13 (эффект при 226 °С). Причем с понижением температуры равновесие смещается в сторону образования эттрингита. Во всех случаях с помощью РФА обнаружены следы СзАНб (d = 3.13 и 1.93 А). Хлориды ускоряют реакцию С3А и C4AF с гипсом, тормозят переход эттрингита в низкосульфатную форму и способствуют образованию структурноподобной эттрингиту "соли Фриделя" - продукта конкурирующей реакции.

Таким образом, основными факторами, обеспечивающими получение гипсоцементных композиций со стабильной структурой, являются: пониженный В/Ц-фактор и низкотемпературные условия твердения, предотвращающие процесс деструкции цементного камня на основе смешанного вяжущего, включающего алюминаты и гидроалюминаты кальция или их аналоги, а также наличие NaCl. Выявленные особенности повышения термодинамической устойчивости эттрингита в рассматриваемых системах явились основными науч-

ными предпосылками получения долговечной водостойкой безусадочной гип-соцементной композиции для арктических скважин.

В четвертом разделе на основании сформулированных выше научных представлений приведены результаты разработки и исследования тампонажных композиций для низкотемпературных скважин. В качестве основных модификаторов арктических гипсоцементных смесей выбраны: негидратированная фаза- глиноземистый шлак (СА, СА2, С12А7) и гидратированная - гидрокарбоалю-минат кальция (С3АССН12) - отход глиноземного производства. Для разработки гипсоцементной смеси, модифицированной глиноземистым шлаком ("Аркце-мент"), использовали среднеалитовый клинкер цемзавода "Гигант" по ТУ 21-13-2-88, полугидрат гипса АО "Минудобрения" по ГОСТ 125-79, глиноземистый шлак Пашийского металлургическо-цементного завода по ГОСТ 969-91, техническую соль и суперпластификаторы (С-3 по ТУ 14-19-79 и ЛСТМ по ТУ 13-04-600-81). Варьируя соотношением ПЦ-клинкера, глиноземистого шлака, гипсовой составляющей, противоморозной добавки и суперпластификатора определили минимальный В/Ц-фактор (0,38), при котором растекаемость раствора удовлетворяла бы требованиям ГОСТ 1581-96. Оптимальное соотношение компонентов, мас.%: 48-66 портландцемент, 14-23 глиноземистый шлак, 14-23 полугидрат гипса, 6 - техническая соль с 0,3 ЛСТМ обеспечивает схватывание в течение 10 ч и твердение в интервале -2 -г- -7 °С с набором 2-х суточной прочности камня на изгиб от 2,3 до 2,9 МПа при "нулевом" водоотстое раствора. При этом коэффициент водо- и морозостойкости "Аркцемента" находится в

пределах от 0,92 до 0,97, в то время как у зарубежных аналогов - от 0,66 до 0,71.

Таким же способом осуществлена разработка арктической гипсоцемент-ной смеси, модифицированной гидрокарбоалюминатом кальция. Минимальный В/Ц-фактор, обеспечивающий растекаемость в пределах 19-21 см составил 0,38 при оптимальном соотношении компонентов смеси, мас.%: 50-60 портландцемента, 20-25 гидрокарбоалюмината кальция, 20-25 полугидрата гипса. Содержание технической соли и ЛСТМ к массе смеси составило соответственно 6,0 и 0,4%. Разработанная гипсоцементная смесь позволяет получить раствор с "нулевым" водоотстоем и повышенной 2-х суточной прочностью камня при -5 °С (2,0-2,4 МПа) без дополнительного подогрева жидкости затворения и "продав-ки". Коэффициент водо- и морозостойкости находится в пределах от 0,92 до 0,94. Результаты изучения структуры камня СЭМ обеих гипсоцементных смесей указывают на образование плотной гидросиликатной массы с включениями кристаллов этгрингита. Преимущественное образование высоководного эттрин-гита на этапе формирования структуры (в коагуляционный и коагуляционно-кристаллизационный период) обеспечило компенсацию усадки - водоотстоя раствора, расширение цементного камня (до 0,1 %) и уплотнение его структуры в кольцевом пространстве. Сравнительные испытания разработанных арктических смесей и применяемымых тампонажных материалов с добавкой СаС12 на модели скважины ("мерзлый песчанник - цементное кольцо - колонна"), показали, при прочих равных условиях, отсутствие растепления и водоотстоя у тип-

соцементных смесей, в то время как у обычного раствора приращение В/Ц-фактора в результате растепления составило 0,06 , что соответствовало 3 %-ному водоотстою. Образования дефектных зон в цементном кольце на основе гипсоцементной смеси не отмечено.

С учетом недостатков тампонажных растворов пониженной плотности "Партек Пермавелл-1450, 1600" разработана облегченная тампонажная смесь (пат. РФ № 2129206), включающая портландцемент и отход печей графитиза-ции электродного производства (ОПГЭП). ОПГЭП оказывает полифункциональное действие, улучшая, с одной стороны, реологические свойства за счет графита (по сравнению со вспученным перлитом ~ в 1,4 раза); с другой - за счет микрокремнезема создает дополнительную пространственную структуру, препятствующую всплытию частиц графита, в т.ч. и в результате протекания

"пуццолановой реакции": +- Са(ОН)2-*-С - S - Н(гель). Образование

последнего и формирование плотной структуры камня подтверждается ДТА, РФА и ЭМ-анализом. Растворы с ОПГЭП плотностью 1,44 - 1,58 г/см3 при В/Ц = 0,65 седиментационноустойчивы и по прочностным показателям — в 1,5 раза превышают требования ГОСТ 1581-96.

Для повышения эффективности водоизоляционных работ с использованием вяжущих на углеводородной основе, нами предложен водоизоляционный состав (пат. РФ № 2139985), в котором в качестве вяжущего используется гип-соглиноземистый или напрягающий цементы. Отличительной особенностью разработанного технического решения от аналога "Diesel Oil-Cement Slurry"

фирмы Халлибуртон является возможность получения более плотного контакта с поверхностью пор за счет расширения вяжущих (до 0,3 %) с давлением на ограничивающую поверхность до 4 МПа. Образцы керна проницаемостью 1,0-1,510"3 мкм2 после обработки этой суспензией (вяжущее / модифицированное ПАВ дизтопливо > 0,65) под давлением 1 МПа в течение 24 ч при создании противодавления в 2 МПа характеризовались как водонепроницаемые. Для увеличения проникающей способности в терригенный пласт предложен аналог высокодисперсного водоизоляционного цемента "Micro Matrix" той же фирмы. Разработанная смесь (подана заявка на пат. РФ), включающая высокодисперсный портландцемент с Syi. = 0,5-1,0 м2/г и техногенный микрокремнезем с Sya. = 1,5-2,0 м2/г, позволяет увеличить глубину проникновения в пласт в 1,5-2,0 раза превышающую глубину проникновения обычного цемента с последующим упрочнением, в т.ч. за счет "пуццолановой реакции".

В работе разработаны составы и обосновано применение доломитовой муки в качестве кислоторастворимого компонента тампонажных растворов без ухудшения физико-механических свойств материала на стадии строительства скважины, что позволяет снизить расход цемента (до 40 мас.%) и улучшить условия солянокислотной обработки после вторичного вскрытия продуктивного пласта.

В пятом разделе приведены технология выпуска опытно-промышленной партии "Аркцемента" и результаты ее испытаний на Бованенковском ГКМ.

Производство "Аркцемента" осуществлено на Пашийском металлургиче-

ско-цементном заводе по действующей технологической схеме. Технология производства сводилась к следующему. Предварительно приготовленная шихта из полугидрата гипса и ЛСТМ подавалась в один, высокоактивный клинкер АО "Сухоложскдемент" - в другой, глиноземистый шлак - в третий, техническая соль - в четвертый бункер питателя с последующим их смешением на общем транспортере шаровой мельницы 2,6x13 м. В процессе выпуска осуществлялся ежечасный контроль состава и всех технологических параметров "Аркцемента". Испытание смеси проведено в жестких арктических условиях п-ва Ямал на скв. № 6404 при цементировании 426 мм направления, спущенного на 130 м, и 324 мм кондуктора, спущенного на 450 м. Результаты АКЦ и термометрии свидетельствовали об "удовлетворительном + хорошем" качестве крепления колонны с подъемом цемента до устья скважины. По результатам испытаний при участии автора разработана и на уровне ОАО Газпром утверждена "Инструкция по применению тампонажного цемента для арктических условий (Аркцемент)". Модифицированная гипсоцементная смесь включена в проекты на строительство скв. №№ 757 и 753 УГКМ и скв. № 93 Лмсовейского месторождения.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 1. В результате проведенных исследований арктических гипсоцементных смесей зарубежных фирм ("Халлибуртон", "Доуэлл Шлюмберже", "Байрон Джексон", "Партек Пермавелл") наряду с преимуществами выявлены и их существенные недостатки: повышенный водоотстой раствора, низкие водо- и морозостойкость из-за значительного содержания гипса, которые снижают срок

службы цементной изоляции в ММП и создают условия для аварийных ситуаций в скважине.

2. Основными факторами,обеспечивающими получение гипсоцементных тампонажных композиций со стабильными свойствами являются: пониженное водоцементное отношение; низкотемпературные условия твердения, тормозящие процесс перекристаллизации гидратных фаз; наличие антифриза; синтез и стабилизация высоководной водостойкой расширяющейся фазы - эттрингита.

3. На основе выполненных исследований развиты представления о характере и особенностях процессов гидратации в системах алюминатов кальция и полугидрата гипса. Показано, что независимо от содержания гипса термодинамически устойчивым новообразованием в системе "алюминаты (гидроалюминаты) кальция-гипс-вода (растворы хлоридов)" при пониженных температурах является эттрингит. При этом хлориды тормозят процесс его перехода в моносульфатную форму. Наиболее предпочтительной добавкой - антифризом, повышающей прочность гипсового камня, является NaCl.

4. Снижение водоотстоя раствора и повышение водо- и морозостойкости камня на основе арктических гипсоцементных смесей может быть достигнуто путем их модифицирования компонентами, вступающими во взаимодействие с гипсом с образованием эттрингита.

5. Разработанные принципы повышения структурной долговечности реализованы при создании гипсоцементных тампонажных композиций, модифи-

цированных глиноземистым шлаком ("Аркцемент") и гидрокарбоалюминатом кальция - отходом глиноземного производства.

6. Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены эффективность и целесообразность использования: высокодисперсного отхода печей графитизации электродного производства в качестве полифункциональной облегчающей добавки для приготовления тампонажных смесей; гипсоглиноземи-стого вяжущего, напрягающего цемента и портландцемента с микрокремнеземом на углеводородной основе для проведения водоизоляционных работ; доломитовой муки как кислоторастворимого компонента цементного раствора для улучшения условий вскрытия продуктивного пласта.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Клюсов A.A., Ахметов A.A., Никифоров В.Н., Клюсов В.А. Ресурсосберегающие технические решения цементирования скважин // Ресурсосберегающие технологии в области использования природного газа: Тез. докл. меж-дунар. науч.-практич. конф. - Тюмень: ОАО "Запсибгазпром", 1996. -С.29-30.

2. Крылов Г.В., Рябоконь A.A., Клюсов В.А., Силаев A.A. Новый суперпластификатор тампонажных растворов // Газовая промышленность. - М: Га-зойл пресс, 1996. -№ 11-12. -С.23-24.

3. Рябоконь A.A., Клюсов A.A., Клюсов В.А. Усовершенствование методики определения теплофизических и термокинетических свойств цемента при пониженных температурах // Проблемы подготовки кадров для строительства и

восстановления нефтяных и газовых скважин на месторождениях Западной Сибири: Тез. докл. междунар. науч. конф. -Тюмень: ТюмГНГУ, 1996. -С.80-81.

4. Ахметов A.A., Клюсов В.А. Некоторые принципы подхода к разработке тампонажных материалов для капитального ремонта и ликвидации скважин // Изв. вузов. Нефть и газ. - Тюмень: ТюмГНГУ, 1997. -№6. -С.50.

5. Вяхирев В.И., Рудницкий A.B., Рябоконь A.A., Добрынин Н.М., Клюсов В.А., Кармацких С.А. Тампонажные материалы и химреагенты зарубежных фирм II Обзор, информ. Сер. Бурение газовых и газоконденсатных скважин. -М.: ИРД Газпром, 1997. - 44с.

6. Клюсов В.А. Полифункциональная добавка в тамлонажный раствор II Экологические проблемы и пути решения задач по длительной сохранности недр и окружающей среды на период более 500 лет : Тез. докл. всерос. научн.-практич. конф. - Тюмень: ЗапсиббурНИПИ, 1997. -С.136.

7. Клюсов A.A., Кузнецов Ю.С., Клюсов В.А. Кинетика связывания СаС12 в тесте C3S при пониженных температурах // XYI Менделеевский съезд по общей и прикладной химии: Реф. докл. -М.: ВИНИТИ, 1998. -Т.1. -С.138-139.

8. Клюсов A.A., Гноевых А.Н., Рудницкий A.B., Клюсов В.А. Облегченная тампонажная смесь //Каталог науч.-техн. разработок. -М.: ВНИИГАЗ, 1998. -С.96.

9. Ангелопуло O.K., Клюсов В.А. Сжимаемая фаза как компонент тампонажных растворов И Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазово-

го комплекса России : Тез.докл. III всерос. науч.-техн. конф. -М.: РГУНГ им. И.М. Губкина, 1999. -С.30.

10. Вяхирев В.И., Добрынин Н.М., Ахметов A.A., Клюсов В.А., Кашапов С.А. Доломитоцементные тампонажные растворы Н НТС. Сер. Геология, бурение, разработка и эксплуатация газовых и газоконденсатных месторождений на суше и на шельфе. -М.: ИРЦ Газпром, 1999. -№2. -С.18-22.

11. Клюсов А. А., Вяхирев В.И., Ангелопуло O.K., Клюсов В.А. Условия формирования бездефектной структуры цементного камня в низкотемпературной скважине // Освоение шельфа арктических морей: Докл. III междунар. конф. -С.-Петербург: ЦНИИ им. А.Н. Крылова, 1999. -С.35-38.

12. Клюсов В.А. Трещиностойкая тампонажная композиция // Новые технологии в газовой промышленности: Тез. докл. III всерос.конф. молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности.-М.: РГУНГ им. И.М. Губкина, 1999. -С.З.

13. Ахметов A.A., Клюсов В.А., Кривобородов Ю.Р, Тампонажный цемент для сложных горногеологических условий // Долговечность и защита конструкций от коррозии : Докл. междунар. конф. -М.: НИИЖБ, 1999. -С.609-611.

14. Пат. 2129206 RU., CI Е 21 В 33/138. Облегченная тампонажная смесь / A.A. Клюсов, А.Н.Гноевых, А.В.Рудницкий, В.А.Клюсов. -3аяв.03.12.96,

№ 96122938/03; Опубл. 20.04.99, Бюл.11.

15. Пат. 2139985 RU, C1 Е 21 В 33/138. Тампонажный материал / В.И.Вяхирев, В.В.Ипполитов, А.А.Ахметов, С.А.Уросов, В.А.Клюсов и др., всего 7 чел. -Заявл. 06.05.98, № 98109128/03; Опубл. 20.10.99, Бюл.29.

16. Клюсов В.А., Кривобородов Ю.Р. Структура цементного камня при отрицательной температуре // Развитие теории и технологий в области силикатных и гипсовых материалов. Строительство-формирование среды жизнедеятельности: Сб. материалов академических чтений и III традиц. науч.-практич. конф. молодых ученых специалистов и докторантов. -М.: МГСУ, 2000. -4.2. -

17. Клюсов A.A., Клюсов В.А., Гейхман М.Г., Ахметов A.A. Классификация осложнений в системе пласт-скважина и причин их вызывающих //НТЖ. Сер. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. -М.: ВНИИОЭНГ, 2000. -№2. -С.35-39.

18. Клюсов В.А. Улучшение свойств гипсоцементных тампонажных композиций для цементирования арктических скважин // Там же. -№3. -С.26-31.

19. Кривобородов Ю.Р., Клюсов В.А. Формирование структуры цементного камня при отрицательных температурах // Проблемы ультрадисперсного состояния: Тез. Докл. II съезда российского керамического общества и науч.-практич. конф. -С.-Петербург: Наука, 2000. -С.79.

С.35-40.

Соискатель