автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.10, диссертация на тему:Технология получения и применения порошкообразных материалов из промышленных отходов для строительства скважин на Казахстанской части Прикаспийской впадины

МИНИСТЕРСТВО ЭКОЛОГИИ И ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН КАЗАХСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫЙ НЕФТЯНОЙ ИНСТИТУТ (КАЗНИГРИ)

На правах рукописи

ИЗМУХАМБЕТОВ БАКТЫКОЖА САЛАХАТДИНОВИЧ

ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ ПОРОШКООБРАЗНЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА СКВАЖИН НА КАЗАХСТАНСКОЙ ЧАСТИ ПРИКАСПИЙСКОЙ ВПАДИНЫ

Специальность 05.15.10 «Бурение скважин»

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант д.т.н., профессор Мавлютов М.Р.

Алматы 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................................................................7

АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ..................................................................13

1.1. Условия строительства скважин в Прикаспийской впадине........................................................................................................................................13

1.2. Осложнения при бурении скважин................................................................14

1.3. Особенности крепления скважин. Требования к тампонажным материалам....................................................................................18

1.4. Температурные условия формирования цементного

камня................................................................................................................................................30

1.5. Сероводородосодержащие флюиды и их влияние на формирование цементного камня..................................................................33

1.6. Глинопорошки, применяемые при бурении скважин................34

1.7. Утяжеленные тампонажные цементы и добавки-наполнители для их утяжеления....................................................................37

1.8. Существующие технологии получения порошкообразных материалов для бурения скважин............41

1.8.1. Технология получения глинопорошков....................................................41

1.8.2. Технология помола и гомогенизации тампонажных смесей............................................................................................................................................44

1.9. Перспективы применения дезинтеграторной технологии при получении порошкообразных материалов для бурения..........................................................................................................................................46

1.10. Выводы из анализа состояния проблемы. Постановка

цели и задач работы......................................................................................................51

2. МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ, СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЙ МАТЕРИАЛОВ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ИХ ЭФФЕКТИВНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ И МОДИФИКАЦИИ 53 2.1. Методы исследований, приборы и аппаратура..............................53

2.1.1. Подготовка материалов к исследованиям..........................................53

2.1.2. Физико-химические методы исследований..............................................53

2.1.3. Оценка свойств водоглинистых суспензий..........................................54

2.1.4. Оценка свойств тампонажных растворов и цементного

камня................................................................................................................................................55

2.2. Лабораторная дезинтеграторная установка....................................57

2.3. Оценка режимов работы дезинтегратора....................................................59

2.4. Теоретические предпосылки повышения качества глин

при их дезинтеграторной обработке............................................................64

2.5. Теоретические предпосылки получения расширяющихся облегченных цементов................................................................................................70

2.6. Теоретические предпосылки повышения качества цементов при дезинтеграторной обработке......................................73

2.7. Теоретические предпосылки получения утяжеленных и тяжелых цементов............................................................................................................74

2.8. Теоретические предпосылки применения пластификаторов в дезинтеграторной технологии....................83

2.9. Теоретические аспекты повышения термостойкости тампонажных материалов......................................................................................84

2.10. Теоретические предпосылки разработки расширяющих добавок к утяжеленным цементам..............................................................85

2.11. Требования к тампонажным материалам для сероводородосодержащих сред......................................................................90

2.12. Выводы по главе 2..........................................................................................................97

3. ИССЛЕДОВАНИЕ СЫРЬЕВОЙ БАЗЫ..................................................98

3.1. Исследование свойств местных глин................................................................98

3.2. Исследование местных материалов в качестве сырьевых компонентов и добавок для производства утяжеленных и тяжелых цементов..............................................................109

3.2.1. Металлургические шлаки........................................................................................109

3.2.2. Отходы химической промышленности......................................................116

3.2.3. Отходы переработки руд..........................................................................................117

3.3. Исследование вяжущих свойств промышленных отходов..........................................................................................................................................118

3.4. Выводы по главе 3..............................................................................................................................124

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕЗИНТЕГРАТОРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКООБРАЗНЫХ ГЛИНОМАТЕРИАЛОВ ИЗ

МЕСТНОГО СЫРЬЯ............................................................................................................125

4.1. Исследование влияния режима работы дезинтегратора на технологические свойства порошкообразных материалов из местного сырья........................................................................125

4.1.1. Влияние числа оборотов дезинтегратора при обработке

глин на свойства полученных растворов..........................................125

4.1.2. Исследование влияния влажности глин при их дезинтеграторной обработке на свойства полученных растворов..................................................................................................................................132

4.2. Исследование эффективности применения дезинтегратора при обработке глинистых суспензий..................................................................................................................................137

4.3. Выводы по главе 4..........................................................................................................139

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ДЕЗИНТЕГРАТОРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ

ТАМПОНАЖНЫХ МАТЕРИАЛОВ........................................................................140

5.1. Тампонажные материалы нормальной плотности....................140

5.1.1. Влияние дезинтеграторной обработки на степень измельчения тампонажных материалов................................................140

5.1.2. Водопотребность тампонажных материалов дезинтеграторного приготовления................................................................143

5.1.3. Седиментационная и суффозионная устойчивость, фильтрационные свойства тампонажных растворов из цементов дезинтеграторного приготовления..................................149

5.1.4. Реологические свойства тампонажных растворов из

цементов дезинтеграторного приготовления....................................154

5.2. Облегченные тампонажные растворы......................................................155

5.2.1. Прочность цементного камня из облегченных

тампонажных материалов дезинтеграторного

приготовления..........................................................................................................................................155

5.2.2. Облегченный расширяющийся тампонажный материал

из местных глин..................................................................................................................162

5.3. Разработка составов утяжеленных и тяжелых

тампонажных цементов..................................................................................165

5.3.1. Бесклинкерные утяжеленные цементы на основе ФТШ и

СРШ..................................................................................................................................................166

5.3.2. Термостойкий утяжеленный цемент..........................................................171

5.3.3. Утяжеленные цементы на основе свинцовых шлаков............172

5.3.4. Утяжеленные цементы на основе никелевых шлаков............172

5.3.5. Утяжеленный цемент на основе целестиновой руды..........180

5.4. Разработка утяжеленных расширяющихся цементов на

основе местных материалов............................................................................182

5.5. Влияние дезинтеграторной обработки на свойства утяжеленных тампонажных материалов..............................................193

5.5.1. Влияние дезинтеграторной обработки на степень измельчения утяжеленных цементов........................................................194

5.5.2. Водопотребность утяжеленных тампонажных цементов дезинтеграторного приготовления................................................................196

5.5.3. Седиментационная и суффозионная устойчивость, фильтрационные свойства растворов из утяжеленных цементов дезинтеграторного приготовления.................. 200

5.5.4. Влияние дезинтеграторной активации на сроки

схватывания и загустевания тампонажных растворов..........204

5.5.5. Прочность цементного камня из утяжеленных цементов дезинтеграторного приготовления................................................................206

5.5.6. Влияние дезинтеграторной активации на величину объемных деформаций расширяющихся утяжеленных цементов....................................................................................................................................209

5.6. Выводы по главе 5........................................................................................................212

6. ПРИМЕНЕНИЕ ДЕЗИНТЕГРАТОРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ

МОДИФИКАЦИИ ВЯЖУЩИХ............................................................213

6.1. Применение пластификаторов в системе тампонажных

вяжущих........................................................................................................................................213

6.2. Технология двухступенчатого помола при получении тампонажных спеццементов................................................................................220

6.3. Выводы по главе 6........................................................................................................234

7. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА, ИСПЫТАНИЯ,

ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ГЛИНОПОРОШКОВ И СПЕЦИАЛЬНЫХ ЦЕМЕНТОВ ДЕЗИНТЕГРАТОРНОГО ПРИГОТОВЛЕНИЯ..................................................................................................................236

7.1. Технологии производства тампонажных материалов из вторичных продуктов промышленности............................................236

7.2. Передвижная дезинтеграторная установка Д-6911..................239

7.3. Специальный цех сухих тампонажных смесей и глинопорошков....................................................................................................................243

7.4. Технологическая линия получения порошкообразных материалов............................................................... 248

7.5. Экспериментальные исследования сероводородостойкости тампонажных материалов дезинтеграторного приготовления................................................................250

7.6. Промысловые испытания коррозионной стойкости тампонажных цементов дезинтеграторного

приготовления......................................................................................................................256

7.6.1. Испытания в сероводородном газе............................................................256

7.6.2. Испытания в сероводородосодержащей нефти..........................258

7.7. Промышленное применение порошкообразных

материалов дезинтеграторного приготовления........................263

7.8. Промышленное применение утяжеленных тампонажных цементов дезинтеграторного приготовления.................. 266

7.9. Применение бесклинкерных термостойких утяжеленных цементов дезинтеграторного приготовления................................269

7.10. Выводы по главе 7........................................................................................................270

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................................................................................................271

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ..........................................271

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ......................................................................................................................274

ПРИЛОЖЕНИЯ....................................................................................................................................................293

ВВЕДЕНИЕ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Республика Казахстан становится одним из крупных нефтегазодобывающих регионов мира, в недрах которого сосредоточены крупные запасы углеводородного сырья. Основные запасы сосредоточены в Западном Казахстане, и в большей части они приурочены к казахстанской части Прикаспийской впадины. В настоящее время открыты и разрабатываются такие месторождения - гиганты как Тенгиз, Карачаганак, комплекс месторождений Ман-гыстауской области и Восточной прибортовой зоны Прикаспийской впадины. Уникальность месторождений по запасам сопровождается такими же уникальными проблемами в процессе строительства скважины, обусловленными аномально высокими и аномально низкими пластовыми давлениями, высокими температурами, наличием мощной соленосной толщи с пропластками пластичных пород и ра-попроявлений, а также наличием агрессивных компонентов в пластовом флюиде. При этом необходимо обеспечение повышенного качества и уменьшение сроков строительства скважин, значительное снижение трудовых и материальных затрат и оздоровление экологической обстановки. Особая роль при этом принадлежит буровым растворам и тампонажным смесям, которые получают из порошкообразных материалов. Уникальность геологических условий проводки скважин, особенно в разведочном бурении, требует применения множества разнообразных там-понажных материалов и глинопорошков.

Казахстан сегодня не имеет заводов по производству тампонажных цементов и технологических линий по получению глинопорошков, хотя и имеет большое количество месторождений глин. В то же время в Казахстане впервые была разработана технология получения специальных тампонажных материалов с применением местных промышленных отходов, построен цех сухих тампонажных смесей. Имеющаяся технология получения специальных тампонажных материалов и выпускаемые в цехе тампонажные материалы не всегда удовлетворяют необходимым требованиям из-за изменения геологических условий в новых районах, что требует выполнения дополнительных работ по регулированию свойств раствора и камня в процессе бурения.

В данной работе сделана попытка обобщения опыта по разработке дезин-теграторной технологии получения и применения порошкообразных материалов на основе местных материалов и отходов промышленности Казахстана и опреде-

ления перспектив получения высокоэффективных тампонажных цементов и гли-нопорошков, и следовательно является актуальной и имеет большое значение для народного хозяйства Республики в плане экономического развития.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Разработка технологии получения и применения порошкообразных материалов, обеспечивающих качественное строительство глубоких скважин в сложных геологических условиях Западного Казахстана.

ЗАДАЧИ РАБОТЫ. Изучение геологических особенностей и геолого-физических факторов, определяющих качественную проводку скважин и обоснование требований к технологии, составу и свойствам глиноматериалов и тампонажных цементов для условий аномально высоких давлений и температур при наличии агрессивных агентов.

1. Изучение местных глин и промышленных отходов на возможность получения на их основе порошкообразных материалов: глинопорошков и тампонажных смесей.

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

3. Разработка технологии получения и применения порошкообразных глиноматериалов и цементов с использованием дезинтеграторной технологии.

4. Разработка составов специальных тампонажных цементов на основе местных материалов и промышленных отходов.

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

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

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность получения эффективных глинопорошков из местных глин Западного Казахстана.

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 минералогическим составом, физико-химическими свойствами глин Западного Казахстана и изменением технологических свойств глин при их дезинтеграторной обработке.

3. Установлено явление расширения тампонажного камня на основе глино-цементной смеси после дезинтеграторной обработки и предложено объяснение его механизма.

4. Установлена качественная взаимосвязь между физико-химическими свойствами, минералогическим составом отходов горно-рудной, химической промышленности и шлаков черной и цветной металлургии Казахстана и изменением технологических свойств тампонажных утяжеленных цементов на их основе при их обработке в дезинтеграторе.

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

6. Установлена качественная взаимосвязь между составом и свойствами добавок-модификаторов портландцемента, режимом дезинтеграторной обработки и техническими характеристиками полученных материалов.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Разработана дезинтеграторная технология и оптимальные режимы работы дезинтегратора для получения порошкообразных материалов из местных глин месторождений: Кенкияк, Шолы, Чилисай.

1. Разработаны требования к технологическим свойствам тампонажных утяжеленных цементов, показаны возможности использования в составе утяжеленных цементов широкого круга отходов горно-рудной металлургической про-мышленностей.

2. Получена облегченная расширяющаяся тампонажная композици