Цементирование и гидроизоляция геотехнологических (
advertisement
Цементирование и гидроизоляция геотехнологических (эксплуатационных) скважин Цементирование и гидроизоляция осуществляются для выполнения следующих основных задач: • предотвращения растекаемости рабочих и продуктивных растворов из отрабатываемых продуктивных пластов через затрубное пространство скважин в выше– и нижележащие водоносные горизонты; • разобщения пространства между эксплуатационной и обсадной колоннами, когда обсадная колонна выполнена из материала, подверженного коррозии, а рабочие и продуктивные растворы обладают высокой агрессивностью • защиты эксплуатационной колонны от сминающих усилий, вызванных горным давлением, вызванных горным давлением слабоустойчивых пород, вскрытых в процессе бурения скважин. Такая защита особенно необходима, когда скважиной вскрываются мощные пласты неустойчивых пород, и в качестве обсадных колонн применяются неметаллические трубы; • упрочнения стенок скважин при сооружении эксплуатационных скважин ПВ в раздробленных породах; • предотвращения утечек рабочих растворов через резьбовые соединения эксплуатационных колонн, особенно при высоконапорном режиме нагнетания; • локализации рудных тел и отдельных залежей для предотвращения растекаемости выщелачивающих и продуктивных растворов в отдельных блоках при подземном выщелачивании урана путем закачки в специально оборудованные трещины гидроразрыва цементных и других растворов; Общие сведения о буровых тампонажных растворах Тампонажный раствор (ТР) – это гетерогенная полидисперсная система, способная в течение некоторого времени переходить из вязко-пластичного состояния в твердое как на воздухе, так и в жидкости. затворение ТЦ ВВ ЖЗ + Д УС ЗС = ПФ ТР Т, час ТК Пл Дисперсионная среда ХА И Дисперсная фаза Гетерогенная система – неоднородная система, состоящая из двух или нескольких фаз. Полидисперсная система состоит из различных по размеру частиц. Дисперсная фаза ТР представлена тампонажным цементом (ТЦ), который состоит из вяжущего вещества (ВВ) и добавок (Д) к нему. Добавки к ВВ могут быть химически активными (ХА) и инертными (И). затворение ТЦ ВВ ЖЗ + Д УС ЗС = ПФ Пл Дисперсионная среда ХА И Дисперсная фаза ТР Т, час ТК Краткая характеристика добавок к вяжущим веществам Добавки к вяжущим веществам Химически активные искусственные природные осадочные вулканические Диатомиты Пеплы Трепелы Туфы Опоки Пемзы Топливные золы и шлаки Инертные облегчающие утяжеляющие закупоривающие Бентонит Песок Диатомит Барит Резиновая крошка Доменные шлаки Железная руда Искусственно обожженные глины и др. Известняк Слюда Торф Ореховая скорлупа Стекловолокно и др. Дисперсионная среда или жидкость затворения (ЖЗ) чаще всего представлена водой, реже водными растворами солей и углеводородными жидкостями. затворение ТЦ ВВ ЖЗ + Д УС ЗС = ПФ Пл Дисперсионная среда ХА И Дисперсная фаза ТР Т, час ТК ЖЗ может содержать в растворенном виде химические реагенты, предназначенные для регулирования свойств тампонажного раствора (ТР) и тампонажного камня (ТК). ТК – искусственное твердое тело, образующееся при затвердевании ТР. затворение ТЦ ВВ ЖЗ + Д УС ЗС = ПФ Пл Дисперсионная среда ХА И Дисперсная фаза ТР Т, час ТК Вводимые в ЖЗ химические реагенты по функциональному назначению делятся на следующие 4 группы: ускорители схватывания и твердения (УС); замедлители схватывания и твердения (ЗС); понизители фильтрации (ПФ); пластификаторы или разжижители (Пл). затворение ТЦ ВВ ЖЗ + Д УС ЗС = ПФ Пл Дисперсионная среда ХА И Дисперсная фаза ТР Т, час ТК Отношение массы дисперсионной среды к массе дисперсной фазы в единице объема ТР называется водоцементным отношением и обозначается В/Ц. затворение ТЦ ВВ ЖЗ + Д УС ЗС = ПФ Пл Дисперсионная среда ХА И Дисперсная фаза ТР Т, час ТК Тампонажные цементы (ТЦ) ТЦ – это продукт, состоящий из смеси тонкоразмолотых ВВ и добавок, после затворения которого ЖЗ получают ТР, а затем ТК. Тампонажные цементы могут быть классифицированы по следующим основным признакам: температуре применения; плотности ТР; устойчивости ТК в воздействию агрессивных сред Курс лекций по дисциплине «Буровые промывочные и тампонажные растворы». (пластовых водАвтор: и др.). профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик Требования к тампонажным и гидроизоляционным материалам • Образовывать легкоподвижные системы, которые можно прокачать буровыми насосами; • Сохранять свою начальную консистенцию; • Иметь определенные пределы плотности: • облегченные системы плотностью ниже 1700 кг/м3, • обычные системы – 1700 – 2000 кг/м3; • утяжеленные системы – выше 2000 кг/м3; • Иметь достаточную прочность и достаточную устойчивость при воздействии агрессивных сред. Для цементирования применяются обычные и специальные сорта цементов Тампонажный портландцемент • Основной частью портландцемента являются клинкерные минералы, получаемые искусственным путем при обжиге (Т ≈ 1450оС) смеси известняка с глиной. • При этом состав смеси подбирается таким образом, чтобы в ней содержалось строго определенное количество следующих оксидов: • • • • кальция СаО кремния SiO2 алюминия Al2O3 железа Fe2O3 - 64 … 68 % (известь); - 19 … 23 % (кремнезем); - 4 … 8 % (глинозем); - 3 … 6 %. Портландцементглавное вяжущее вещество (90%) • • • • Источник окиси кальция-известняк Источники остальных элементов- глина Обжиг при температуре-1450 0С Продукт обжига-гранулы размером до 30 ммклинкер • Измельчение клинкера до образования поверхности – 300м2/кг Тампонирование скважин 15 Сульфатостойкий портландцемент • обладает повышенной сульфатостойкостью и пониженной экзотермией при замедленной интенсивности твердения в начальные сроки. Применяется для: • цементирования эксплуатационных скважин ПВ с использованием кислотных растворителей металлов, • образования предохранительных экранов с целью локализации рудных тел и небольших залежей, • монтажа фундаментов для установки раствороподъемных насосов и оборудования устья эксплуатационных и вспомогательных скважин. • Сульфатостойкий портландцемент выпускают без добавок и с минеральными добавками – гранулированне доменные и электротермофосфорные шлаки (10 – 20 %), активные добавки из осадочных пород. • Получают этот цемент путем совместного помола: • портландцементного клинкера с указанным выше составом, • гипса, • активных минеральных добавок, • гранулированных доменных или электротермофосфорных шлаков. Кислотостойкий цемент • Применяется кислотостойкий цемент для цементирования высоко-дебитных с большим сроком службы технологических скважин ПВ. • Представляет собой смесь совместно или раздельно тонкоизмельченного : • кварцевого песка • и кремнефтористого натрия, • которая при затворении водным раствором силиката натрия (жидкого стекла) образует кислотостойкий силикатный камень. Состав по весу : • 25-30% растворимого стекла , • 70-75% порошкообразной смеси (кварцевый песок с кремнефтористым натрием). • Окиси кремния в кислотостойком цементе должно содержаться не менее 92%. Общие положения о применении тампонажных растворов • При сооружении геотехнологических скважин наиболее широкое применение находят облегченные цементные растворы, а также термостойкие, низкогигроскопичные и др. • Облегченные цементные растворы чаще всего используются при сооружении технологических скважин подземного выщелачивания урана, оборудованных пластмассовыми или другими неметаллическими трубами. • Облегченные тампонажные растворы обычно имеют плотность 1400–1600 кг/м3, что позволяет снизить давление в затрубном пространстве и предотвратить смятие неметаллических эксплуатационных или обсадных колонн в процессе закачки цементного раствора. • Облегченные растворы на базе применяемых цементов приготовляются с добавлением облегчающих компонентов в виде глины, пемзы, трепела, опоки и других добавок, содержащих SiO2. • Применение облегченных коррозионностойких тампонажных цементов позволяет качественно цементировать скважины со сложными геологотехническими условиями, увеличить межремонтный период эксплуатации скважин. Повышение сил сцепления цементного камня с поверхностью неметаллических труб. • При применении пластмассовых и металлопластовых труб использование цементных растворов при сооружении технологических скважин не всегда обеспечивает надежную гидроизоляцию зон движения рабочих и продуктивных растворов вследствие недостаточного сцепления цементного камня с поверхностью труб. • Механизм адгезии трубы рассматривается как взаимодействие между трубами и цементом и проявляется в виде молекулярных сил сцепления. Адгезия (от лат. adhaesio — прилипание) — сцепление поверхностей разнородных твёрдых и жидких тел • Установлено, что сцепление цементного камня с полиэтиленовыми трубами в среднем составляет 0,02– 0,09 МПа. • При добавлении в цементный раствор 7–12 % извести или гипса сцепление увеличивается на 60–80 %. • Росту сцепления цементного камня с поверхностью полиэтиленовых труб на 50–70 % способствует также увеличение ОЗЦ (ожидание затвердевания цемента) с 2 до 8 суток. • Другим направлением повышения адгезионной способности полимерных труб к цементным растворам является изменение физико-механических свойств поверхности труб с помощью механических, физических и химических методов. Механические способы обработки полимерных труб • Очистка поверхности труб щетками. • Обработка труб пескоструйными аппаратами для придания им шероховатости. • Так, увеличение удельного количества песчанокварцевых частиц на поверхности трубы с 1 до 8 г/см2 приводит к повышению сил сцепления цементного камня с поверхностью полиэтиленовой трубы почти в 2 раза. • Физические способы позволяют при обработке поверхности полиэтиленовых труб тлеющим или коронным электрическими разрядами изменить свойства обрабатываемой поверхности. • Химическая подготовка поверхности труб производится с применением растворителей, например растворов марганцовистого калия, минеральных кислот и т. п. • В этом случае прочность адгезионных связей может быть повышена в 1,5–2 раза. • Поверхности стеклопластиковых и бипластмассовых труб, полученные в результате специальной укладки стекловолокна на поверхностный слой труб при их изготовлении, обеспечивают хорошее сцепление цементного раствора с трубами за счет шероховатости даже без специальной обработки поверхности этих труб. Способы цементирования геотехнологических скважин • При сооружении технологических скважин для ПВ широкое применение нашли способы цементирования через заливочные трубы. • Два варианта доставки тампонажных материалов в затрубное пространство скважины. • При первом варианте цементирования заливочные трубы опускают в затрубное пространство цементируемой колонны, • а при втором – внутрь обсадной или эксплуатационной колонны. Схемы цементирования скважин с применением заливочных трубок а, б – путем спуска заливочных трубок в затрубное пространство обсадной колонны; в, г – путем спуска заливочных трубок в полость обсадной колонны 1 – ствол скважины; 2 – обсадная (эксплуатационная) колонна; 3 – заливочные трубки; 4 – разобщающая манжета; 5 – пакер; 6 – обратный клапан; 7 – цементирующее устройство; 8 – диафрагма; 9 – центратор Схема цементирования бесфильтровой скважины с применением заливочных трубок путем их спуска в затрубное пространство обсадной колонны (а) • 1 – ствол скважины; • 2 – обсадная (эксплуатационная) колонна; • 3 – заливочные трубки • Нижний конец заливочных труб опускают выше башмака колонны на 0,5–2 м и по ним в затрубное пространство закачивают цементный раствор в требуемом объеме. • В качестве заливочных труб могут применяться бурильные трубы ниппельного соединения, насоснокомпрессорные трубы или полиэтиленовые шланги. • В связи с трудностью спуска в скважину полиэтиленовых шлангов предусматривается их крепление к обсадным или эксплуатационным трубам и одновременный спуск. • Для предупреждения перетекания цементного раствора в полость обсадной колонны и заполнения их внутренней полости глинистым раствором ее башмак оборудуется диафрагмой, изготовленной из чугуна, стекла и других материалов. • При цементировании обсадных колонн из полимерных материалов с целью предупреждения смятия предусматривается полное заполнение их внутренней полости глинистым раствором с плотностью, близкой к плотности цементного раствора (до 1400 кг/м3). • По мере заполнения затрубного пространства цементным раствором заливочные трубы приподнимают. Схема цементирования колонн, оборудованных в нижней части фильтром с применением заливочных трубок путем их спуска в затрубное пространство обсадной колонны (б) • 1 – ствол скважины; • 2 – обсадная (эксплуатационная) колонна; • 3 – заливочные трубки; • 4 – разобщающая резиновая манжета • Предусматривается постановка разобщающей манжеты 4, закрепленной на колонне выше фильтра, которая предотвращает поступление тампонажных растворов в прифильтровую зону скважины. • Манжета выполняется из эластичного материала, в основном из кислотостойкой резины и имеет форму усеченного конуса, широкая часть которого больше диаметра скважины на 20–50 мм. • Для лучшей герметизации прифильтровой зоны скважины посадку манжеты обычно производят на уступ, образованный при переходе ствола скважины на уменьшенный диаметр. Основные недостатки цементирования при размещении заливочных труб в затрубном пространстве (а и б) • 1.Затруднено использование при цементировании глубоких скважин в связи с трудностью спуска заливочных труб; • 2.Необходимость увеличения диаметра скважин для размещения заливочных труб в пространстве между стенкой скважины и обсадной колонной. Пример: • Для цементирования обсадной колонны из полиэтиленовых труб диаметром 110 мм и применения в качестве заливочного става бурильных труб диаметром 42 мм диаметр скважины должен быть не менее 190–214 мм. Это приводит к увеличению стоимости сооружения скважины. • 3.При использовании в качестве заливочных труб бурильных, насосно-компрессорных и других металлических труб увеличивается вероятность повреждения цементируемых труб и их соединений, что приводит к аварийным ситуациям и выходу скважины из строя. • 4.Невозможность оборудования цементируемой колонны центрирующими фонарями, скребками и другими приспособлениями вследствие того, что они являются препятствием для спуска заливочной колонны. • 5.Не обеспечивается высокое качество цементирования в связи с неравномерным распределением цементного раствора за колонной, не исключается его смешивание с глинистым раствором. Схема цементирования бесфильтровой колонны с применением заливочных трубок путем их спуска в полость обсадной колонны (в) • 1 – ствол скважины; • 2 – обсадная (эксплуатационная) колонна; • 3 – заливочные трубки; • 5 – пакер; • 6 – обратный клапан • При цементировании неметаллических обсадных колонн нижний конец заливочных трубок снабжается обратным клапаном 6 и пакером 5, устанавливаемым в зоне башмака обсадной колонны на расстоянии не более 0,5 м от низа с целью предупреждения заполнения полости колонны цементным раствором. • После установки пакера в обсадную колонну до устья скважины заливают глинистый раствор с плотностью не ниже 1200 кг/м3. • После закачки цементного раствора и ОЗЦ пакер вместе с заливочной колонной извлекают из скважины. • Высота цементного стакана в обсадной колонне при такой схеме цементирования не превышает 0,5 м и не затрудняет дальнейшего углубления скважины. Схема цементирования неметаллических обсадных (эксплуатационных) колонн (г), оборудованных в нижней части фильтром (заливочные трубы внутри) • 1 – ствол скважины; 2 – обсадная (эксплуатационная) колонна; 3 – заливочные трубки; 4 – разобщающая манжета; 7 – цементирующее устройство; 8 – диафрагма; 9 – центратор Для подачи тампонажных растворов в затрубное пространство скважины с неметаллической колонной используются специальные устройства для цементирования с резиновым клапаном • • • • • • • 1 – корпус; 2 – разобщающая манжета; 3 – центратор; 4 – подвижная втулка; 5 – диафрагма; 6 – резиновый клапан; 7 – окна Порядок работы • Для подачи тампонажных растворов в затрубное пространство скважины используются специальные устройства. • Устройство монтируется и опускается в скважину на обсадной колонне и содержит разобщающую манжету 2 с клапаном 6, центратор 3 с принудительным центрированием колонны и чугунную или стеклянную диафрагму 5 толщиной 2–5 мм. • В колонне cделаны отверстия 7 диаметром 15–25 мм в один или два ряда, закрытые резиновыми клапанами с наружной части трубы, представляющими собой часть разобщающей манжеты. • Перед закачкой цементного раствора в полость колонны опускают заливочные трубки с таким расчетом, чтобы их нижний конец не доходил до диафрагмы на 0,5–1,5 м. • Внутренняя полость обсадной колонны заполняется промывочной жидкостью, а верх колонны герметизируется. • При закачке цементного раствора под действием давления диафрагма 5 толкает втулку 4, связанную с пружинами центратора 3, при этом происходит центрирование обсадной колонны в зоне размещения разобщающей манжеты 2. • Через отверстия 7 в корпусе цементный раствор заполняет затрубное пространство обсадной колонны выше разобщающей манжеты. Устройство для цементирования неметаллических колонн и гидроизоляции 1 – полый корпус; 2 – муфта; 3 – шаровой клапан; 4, 5 – окна для подачи цементного раствора; 6 – втулка; 7 – обсадная колонна; 8, 9 – поршни; 10 – плашки; 11 – резиновое кольцо; 12 – кольцевая проточка; 13 – резиновый клапан; 14 – пружина Устройство позволяет осуществить цементирование затрубного пространства обсадных колонн из неметаллических материалов при небольших затратах времени и расходе тампонажных материалов иполностью исключить попадание цементного раствора в прифильтровую зону скважины. • Устройство содержит полый корпус 1, который вместе с втулкой 6, запрессованной в обсадной колонне 7, образует поршневую пару. • Корпус удерживается на втулке при помощи плашек 10. • Монтаж устройства производится на поверхности, после чего оно опускается в скважину вместе с обсадной (эксплуатационной) колонной. Подача цементного раствора производится по трубам, которые опускаются во внутреннюю полость обсадной колонны и соединяются с устройством при помощи переходника. • Цементный раствор поступает в затрубное пространство выше разобщающей манжеты или выше верхней границы гравийного слоя (при отсутствии манжеты) через окна 4 и 5, сделанные в корпусе, втулке и обсадной колонне. • После окончания подачи цементного раствора заливочный став вместе с корпусом извлекают из обсадной колонны. • При этом плашки 10 заходят в проточку 12, выполненную на корпусе, и не препятствуют подъему из скважины корпуса тампонажного узла через колонну полиэтиленовых труб. Цементирование неметаллических обсадных колонн можно производить и с помощью традиционных методов, например по схеме с двумя разделительными пробками • Для этого с целью предохранения обсадной колонны от разрушения при движении пробок применяют дополнительную защитную металлическую колонну, опущенную внутрь цементируемой колонны Цементирование неметаллических обсадных колонн по схеме с разделительными пробками 1 – ствол скважины; 2 – обсадная неметалллическая колонна; 3 – защитная металлическая колонна; 4 – центратор; 5 – цементировочная головка; 6 – верхняя разделительная пробка; 7 – продавочная жидкость; 8 – цементный раствор; 9 – диафрагма; 10 – нижняя пробка; 11 – глинистый раствор; 12– стоп–кольцо Пробки Нижняя Верхняя Способы тампонирования 49 Схема цементировочной головки Верхняя пробка Нижняя пробка Способы тампонирования 50 • Верх обеих колонн герметизируют, а пространство между ними заполняют глинистым раствором. • Закачка цементного раствора производится через внутреннюю защитную колонну. • После посадки нижней пробки на стоп-кольцо давлением раствора разрушается диафрагма, тампонажный раствор с помощью продавочной жидкости вытесняется за неметаллическую колонну. • После ОЗЦ цементный стакан и разделительные пробки разбуривают, а защитную металлическую колонну извлекают из скважины. В дальнейшем осуществляют вскрытие продуктивного горизонта и оборудование скважины фильтровой колонной. • Тампонирование с двумя пробками Технология гидроизоляции зон движения рабочих и продуктивных растворов • Осуществляют гидроизоляцию по самым разнообразным схемам с применением различных материалов и способов . • Одним из самых распространенных способов гидроизоляции рабочих и продуктивных растворов при отработке месторождений методом ПВ является способ с использованием кислотостойких резиновых манжет. • Место установки манжеты соответствует переходу ствола скважины на уменьшенный диаметр бурения. • Гидроизоляционный материал заливают в этом случае обычно поверх манжеты через заливочные трубки. • Гидроизоляция с помощью манжет требует небольших затрат средств и обеспечивает при качественной посадке манжеты достаточно высокую надежность перекрытия зон движения растворов. • Основным недостатком гидроизоляции с использованием манжет является проникновение цементных растворов или других гидроизоляционных материалов под манжету, что приводит иногда к цементированию фильтров. • При применении конструкций скважин с гравийной обсыпкой гидроизоляционный материал заливается поверх гравийного слоя. • В этом случае также не всегда обеспечивается надежная изоляция, так как возможны перетоки растворов вверх по стволу скважины и проникновение материала гидроизоляции в слой гравия. • Перетоки растворов по стволу скважины могут быть обусловлены двумя обстоятельствами: • недостаточным сцеплением цементных и других растворов, используемых в качестве гидроизоляционного материала, с поверхностью полиэтиленовых труб и стенками скважины; • разрушением материала гидроизоляции в результате длительного воздействия агрессивных выщелачивающих растворов и образованием в гидроизоляционном материале каналов, пор, по которым могут циркулировать выщелачивающие растворы. • После спуска эксплуатационной колонны с фильтром в прифильтровую зону скважины засыпают гравий. • 1.Затем производят гидроизоляцию затрубного пространства с помощью гидравлического пакера, который позволяет разобщить зону продуктивного пласта от вышележащих пород. Схема гидроизоляции с помощью гидравлических пакеров 1 – цементное кольцо; 2 – тампонажный слой глины; 3 – глиноизвестковый раствор; 4 – полиэтиленовая колонна; 5 – (манжета–пакер); 6 – клапан; 7 – фильтр; 8 – отстойник; 9 – направляющий фонарь • 2.Приведение пакера в рабочее состояние производят путем закачки воды в его полость через обратный клапан по бурильным трубам, опускаемым в эксплуатационную колонну. • После разобщения зафильтрового пространства затрубное пространство поверх пакера заполняют гидроизоляционным материалом. • Такая схема гидроизоляции позволяет применять одноколонные конструкции скважин и оборудовать их фильтрами с гравийной обсыпкой, что позволяет повысить производительность и срок службы технологических скважин. • В настоящее время при сооружении эксплуатационных скважин ПВ наиболее широкое применение в качестве гидроизоляционного материала получили различные тампонажные пасты, которые представлены специально обработанными глинистыми растворами с различными коагулирующими и твердофазными добавками. • В скважине вода, входящая в состав пасты, отфильтровывается в пористые породы и песчаногравийную обсыпку (при ее наличии), а твердеющая фаза, уплотняясь под действием гидростатического давления, превращается в вязкопластичную массу, обладающую некоторой упругостью. • Эта масса обеспечивает надежную гидроизоляцию прифильтровой зоны скважин и в то же время за счет высокой вязкости не проникает в песчано-гравийную обсыпку, а также не препятствует деформациям полиэтиленовой колонны, возникающим вследствие перепада температур, действия гидростатического и горного давлений. • Недостатком при изоляции затрубного пространства указанными пастами является отсутствие жесткого кольца вокруг полиэтиленовых труб, компенсирующего горное давление и предотвращающего смятие колонны при резком понижении уровня раствора в колонне. Гидроизоляционные материалы • тампонажные гель-цементные пасты – специально обработанные глинистые растворы с различными коагулирующими и твердофазными добавками. Состав Состав Количе– ство, %; Параметры пасты Параметр Количество Глинистый раствор без соды 75 Плотность, кг/м3 1180 – 1220 Раствор полиакриламида, 2 %-ный 12,5 Вязкость, с 25 – 30 Раствор жидкого стекла, 20 %-ный 12,5 Водоотдача, см3/30 мин 20 Беструбное крепление технологических скважин • В зависимости от геологических и гидрогеологических условий в современной практике бурения скважин для упрочнения стенок скважин используют следующие способы: • в скальных карстовых, сильнотрещиноватых, трещиноватых и слаботрещиноватых породах – . цементацию; • в скальных тонкотрещиноватых и пористых, в рыхлых мелкобломочных и песчаных водоносных породах – смолизацию и силикатизацию; • в крупнообломочных и гравийногалечниковых водоносных породах – цементацию Для кольматации трещин и снижения водопроницаемости горных пород, когда не требуется их укрепление применяют: • в скальных кавернозных и трещиноватых породах – глинизацию и горячую битумизацию; • в скальных тонкотрещиноватых породах – силикатизацию; • в крупнообломочных и гравийно-галечниковых породах – глинизацию и горячую битумизацию; • в рыхлых мелкообломочных и песчаных породах – силикатизацию. Состав тампонажных растворов и способы закрепления пород при беструбном креплении скважин Состав выбирается с учетом условий: • в процессе бурения скважин (температура, пластовое давление, очистные агенты и др.); • эксплуатации (добыча, применяемые растворители, гидродинамические и температурные условия и др.); • способа упрочнения и закрепления неустойчивых пород. Тампонажные растворы должны удовлетворять следующим основным требованиям: • максимальной адгезионной способности к породам стенок скважин, а также наполнителю, и минимальной – к пакерным устройствам и другому оборудованию технологических скважин; • способности отвердевать при различных температурах и давлениях, связывая при этом значительное количество воды; • хорошо растворяться в воде (кроме гидрофобных вяжущих), а после отвердения переходить в нерастворимое и необратимое состояние, характеризующееся водонепроницаемостью и устойчивостью против воздействия агрессивных сред; • должны иметь регулируемые сроки схватывания в зависимости от условий применения; • должны быть как можно менее токсичны, относительно дешевы и выпускаться промышленностью в массовом количестве. Цементация • Наиболее освоенным и распространенным как для закрепления горных пород, так и для кольматации трещин в скважинах получил способ цементации. • Основные его преимущества заключаются в технологической простоте, удобстве применения , высокой надежности способа и наибольшей экономичности по сравнению с другими. • Цементация осложненной зоны успешно применяется при тампонировании трещин с раскрытием более 0,1 мм и скорости фильтрации подземных вод по трещинам до 600 м/сут при любых гидростатических напорах. Смолизация • Этот способ применяют для укрепления стенок скважин и повышения водонепроницаемости мелкообломочных и песчаных, а также тонкотрещиноватых и пористых скальных пород. • Суть способа заключается в нагнетании в трещины и поры растворов смол (в основных карбамидных) с последующим отверждением их растворами кислот. Горная порода приобретает достаточно высокую прочность порядка 2–4 МПа. • Водные растворы карбамидных смол имеют низкую вязкость, близкую к вязкости воды, что обеспечивает высокую проникающую способность и позволяет закреплять водоносные пески с коэффициентом фильтрации менее 2 м/сут. Силикатизация • Силикатные растворы применяют как для упрочнения горных пород (преимущественно), так и для кольматации трещин в скальных породах с целью ликвидации поглощений промывочных жидкостей. • В настоящее время развиваются два направления упрочнения горных пород – одно- и двухрастворная силикатизация. • При сооружении геотехнологических скважин наиболее эффектен однорастворный способ силикатизации. • Сущность способа заключается в нагнетании в скважину силикатного раствора с добавкой кислот (H2SO4, H3PO4) или смесей кислот и солей поливалентных металлов (например, H2SО4 + Al2(SО4)3). • Эти растворы коагулируют очень медленно, они представлены маловязкой жидкостью, поэтому способны проникать в тонкие трещины и поры на значительную глубину. • Однорастворную силикатизацию применяют для закрепления песчаных пород с коэффициентом фильтрации от 0,5 до 2 м/сут. • Этот способ нельзя использовать при наличии углекислотных подземных вод изза их агрессии. Рекомендуемые составы растворов при однорастворной силикатизации водоносных горных пород Растворы 1 2 Компоненты Жидкое стекло Фосфорная кислота Жидкое стекло Серная кислота Сернокислый алюминий Объемное Время Плотность, содержание гелеобразог/см3 в смеси вания, (части) час 1,190 1,025 1 3–4 1,190 1,060 1,06 1,5–1,8 1,3 0,7 4–10 10–16 Глиноцементные растворы • Глиноцементные растворы представляют собой полидисперсные системы, в которых дисперсной фазой является глина и цемент, а дисперсионной средой вода, затворенная с поверхностно-активными веществами (ПАВ). • Все глиноцементные растворы образуют устойчивый в сульфатно-хлоридно-натриевых растворах камень и могут быть использованы при неметаллическом креплении добычных скважин. • Свойства глиноцементных растворов регулируют введением в смесь различных добавок, первое место среди которых занимает известь в виде Са(ОН)2 или СаО. • Глиноцементные растворы, содержащие 30 % и более цемента, способны длительное время увеличивать прочность камня, которая в данном случае зависит от количества глины в смеси. • Аналогичная зависимость по прочности сохраняется и для трехкомпонентных смесей, содержащих кроме глины и цемента еще песок. • Гиноцементные растворы в зависимости от соотношения компонентов (цемент, глина, песок) могут образовывать тампонажный камень с любой заданной прочностью, необходимой для крепления технологических скважин. • Глиноцементные смеси должны иметь в своем составе не более 12,5 % коллоидной глинистой фракции и не менее 30 % песка. Технология беструбного крепления скважин • Закрепление горных пород производят путем создания на стенках скважины от устья до продуктивного горизонта прочного, изоляционного покрытия из отвердевшего материала. Схема беструбного крепления технологических скважин, пройденных в устойчивых породах 1 – опалубочная колонна; 2 – кондуктор; 3 – затрубная цементация; 4 – переходник с левой резьбой; 5 – направляющие фонари; 6 – фильтр; 7 – отстойник; 8 – слои гравийной обсыпки; 9 – цементировочный узел; 10 – тампонажный раствор; 11 – облицовка из тампонажного камня Технология формирования такого покрытия включает следующие основные операции: • спуск в скважину колонны труб, состоящей из отстойника7, фильтра6, надфильтрового патрубка, а также опалубочной части колонны1; • оборудование прифильтровой зоны скважины гравийной обсыпкой 8 в случае применения гравийнообсыпных фильтров; • приготовление тампонажных растворов; • подачу тампонажного раствора 10 в заопалубочное пространство; • отсоединение опалубочной колонны 1 от фильтровой ( через левое вращение от переходника 4) и периодическое вращение опалубочной колонны после начала схватывания смеси до полного ее затвердевания; • извлечение опалубочной колонны 1; • ультразвуковой контроль качества изоляционного покрытия.
