close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Разработка газожидкостных тампонажных смесей с включением полых алюмосиликатных микросфер для теплоизоляции скважин в криолитозоне

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
МЕРЗЛЯКОВ Михаил Юрьевич
РАЗРАБОТКА ГАЗОЖИДКОСТНЫХ ТАМПОНАЖНЫХ
СМЕСЕЙ С ВКЛЮЧЕНИЕМ ПОЛЫХ
АЛЮМОСИЛИКАТНЫХ МИКРОСФЕР ДЛЯ
ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ СКВАЖИН В КРИОЛИТОЗОНЕ
Специальность 25.00.14 – Технология и техника
геологоразведочных работ
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург  2016
Работа выполнена в федеральном государственном
бюджетном
образовательном
учреждении
высшего
профессионального образования «Национальный минеральносырьевой университет «Горный» (с 19.04.2016 – ФГБОУ ВО
«Санкт-Петербургский горный университет»)
Научный руководитель:
доктор технических наук, доцент
Яковлев Андрей Арианович
Официальные оппоненты:
Лушпеева Ольга Александровна – доктор технических
наук, ООО «Уфанефтепроект-ЦТ», заместитель директора по
науке
Мелехин
Александр
Александрович
‒
кандидат
технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Пермский
национальный
исследовательский
политехнический
университет», кафедра нефтегазовых технологий, доцент
Ведущая организация:
ФГБОУ
ВО
«Российский
государственный
геологоразведочный университет имени Серго Орджоникидзе»
Защита состоится 30 июня 2016 г. в 15 ч. 00 мин. на
заседании диссертационного совета Д 212.224.02 при СанктПетербургском горном университете по адресу: 199106, СанктПетербург, 21 линия, дом. 2, Малый актовый зал.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке
Санкт-Петербургского горного университета и на сайте
www.spmi.ru.
Автореферат разослан 29 апреля 2016 г.
УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ
диссертационного совета
НИКОЛАЕВ
Николай Иванович
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы диссертации. На сегодняшний день
отработка крупнейших алмазоносных месторождений в Западной
Якутии осложняется переходом на подземный способ добычи с
нижних горизонтов кимберлитовых трубок. При этом часто
наблюдается поступление пластовых вод, представленных
рассолами, в горные выработки. Основной объем дренажных стоков
в последние два десятилетия закачивается через скважины обратно
либо в подмерзлотные водоносные горизонты, либо в толщи
многолетнемерзлых пород. Дренажные воды до полугода имеют
положительную температуру, поэтому их закачивание должно
обеспечиваться надежной теплоизоляцией затрубного пространства
для защиты многолетнемерзлых пород (ММП) от возможного
растепления. Помимо этого некачественная герметизация
затрубного пространства, как правило, влечет за собой рост
аварийности в скважине с последующим повышением трудоемкости
и материалоемкости.
Сохранение естественного состояния горных пород,
слагающих стенки скважины, качественное и надежное крепление в
условиях криолитозоны представляет серьезную техническую и
технологическую задачу. Многие из используемых на сегодняшний
день методов сохранения естественного состояния ММП (активные
и пассивные методы теплоизоляции) от растепления дороги и не
всегда обеспечивают достаточную теплоизоляцию в скважине.
Сложные
климатические
и
горно-геологические
условия
препятствуют созданию эффективной и долговечной крепи.
Разработка новых составов газожидкостных тампонажных
смесей (ГЖТС) с включением алюмосиликатных полых микросфер
(АСПМ) и их применение, позволяющие решить проблему по
строительству эффективных и долговечных скважин для закачки
дренажных вод в зонах распространения ММП, является актуальной
задачей.
Значительный вклад в развитие вопроса крепления скважин
с применением газожидкостных составов внесли отечественные и
зарубежные
исследователи
А.В. Амиян,
В.А. Амиян,
O.K. Ангелопуло, В.С. Бакшутов, А.И. Булатов, Н.А. Булатов,
3
В.В. Бондаренко, М.С. Винарский, В.П. Детков, С.С. Джангиров,
В.И. Крылов, Л.В. Макоров, Н.И. Николаев, Ю.Г. Рудоментов,
Н.А. Сидоров,
Н.И. Слюсарев,
Л.С. Стреленя, В.А. Чугунов,
А.Р. Хисматулин, А.А. Яковлев и др. Изучением тампонажных
составов,
содержащие
полые
микросферы,
занимались
Г.А. Белоусов, В.В. Ипполитов, П.В. Овчинников, Д.В. Орешкин,
Г.Н. Первушин, А.А. Фролов и др. Вопросы, связанные с
креплением скважин в криолитозоне, глубоко исследовались в
работах Р.М. Алиева, В.В. Баулина, А.И. Булатова, И.Ю. Быкова,
Р.А. Гасумова, В.С. Данюшевского, А.А. Клюсова, Б.Б. Кудряшова,
А.В. Марамзина,
Р.И. Медведского,
Д.В. Орешкина,
А.В. Самсоненко, И.В. Самсоненко, И.Ф. Толстых, А.М. Яковлева и
др. Тем не менее, в настоящее время практически отсутствуют
рекомендации о разработке ГЖТС, включающих в свой состав
АСПМ, а их практическое применение в районах с наличием
мерзлых пород практически никогда не рассматривалось.
Цель работы. Повышение эффективности крепления
скважин в криолитозоне созданием надѐжного теплоизоляционного
экрана.
Идея работы. Использование новых тампонажных составов
на основе газожидкостных тампонажных смесей с включением
полых микросфер при температурах 0±5°С.
Задачи исследования:
1. Теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение
целесообразности применения газожидкостных тампонажных
смесей для крепления скважин в интервалах криолитозоны.
2. Разработка состава и параметров ГЖТС с полыми микросферами.
3. Проведение экспериментальных исследований свойств ГЖТС с
АСПМ и цементного камня с целью обоснования применения
предлагаемых тампонажных материалов, рецептур и составов для
крепления скважин в криолитозоне и оценки эффективности
выбранных цементных составов в качестве пассивной теплозащиты
ММП.
4. Установление
критерия
количественного
соотношения
компонентного состава ГЖТС с АПМС, определяющего условия
нерастепления мерзлых пород.
4
5. Рекомендации по разработке ГЖТС с АСПМ, оценка их
экологической
безопасности
и
технико-экономической
эффективности.
Методика исследования. Для решения указанных задач
использовались теоретические и экспериментальные методы
исследований.
Лабораторные
исследования
свойств
разрабатываемых составов ГЖТС с микросферами и образуемого на
их основе камня выполнялись с учетом отрицательных температур.
Для сокращения времени на выполнение экспериментов по
изучению свойств разрабатываемых тампонажных смесей был
разработан и применѐн специальный системно-аналитический метод
на основе теории сетей и графов.
Научная новизна работы:
Установлено условие нерастепления мерзлых пород,
основанное на определении взаимосвязи физических свойств
(теплофизических
и
технологических)
разработанной
газожидкостной тампонажной смеси с составом и свойствами
многолетнемерзлых пород.
Достоверность научных положений, выводов и
рекомендаций
подтверждается
достаточной
сходимостью
расчетных данных с результатами лабораторных исследований,
воспроизводимостью полученных данных.
Теоретическая и практическая значимость работы
заключается в разработке метода проведения экспериментов на
основе теории сетей и графов, а также адаптация математической
модели Б.Б. Кудряшова по определению условий нерастепления
ММП для разработанной ГЖТС с АПМС.
2. В качестве практической значимости разработан состав
ГЖТС с АПМС; даны рекомендации для повышения качества
крепления скважин в криолитозоне с целью создания эффективной
теплоизоляции, уменьшения материальных затрат при цементации
затрубного пространства, снижения аварийности и увеличения срока
службы скважины на Киенгском полигоне захоронения дренажных
вод вблизи месторождения трубки «Удачная».
5
3. Результаты работы использованы при проведении
лекционных и практических занятий на кафедре БС СанктПетербургского горного университета.
Апробация работы. Основные положения и результаты
исследований докладывались на VIII Международной научнопрактической конференции молодых ученых «Актуальные
проблемы науки и техники-2015» (Уфа, УГНТУ, 2015), на XV и XVI
Международных
молодежных
научных
конференциях
«Севергеоэкотех» (Ухта, УГТУ, 2014, 2015), XII Международной
научно-практической конференции «Новые идеи в науках о Земле»
(Москва, МГРИ-РГГРУ, 2015), XI Всероссийской конференции
Молодых ученых, специалистов и студентов «Новые технологии в
газовой промышленности» (газ, нефть, энергетика) (Москва,
РГУНиГ,
2015),
IX
Международной
научно-технической
конференции «Геология и нефтегазоносность Западно-Сибирского
мегабассейна (опыт, инновации)» (Тюмень, ТюмГНГУ, 2014).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10
печатных работ, из них 4 – в изданиях, рекомендованных ВАК
Минобрнауки России.
Личный вклад. Разработка и применение системноаналитического метода проведения экспериментов, созданного на
основе теории сетей и графов; разработка новых газожидкостных
тампонажных смесей и регламентация их составов для конкретных
геолого-технических условий, разработка методики и оценки
условий нерастепления мерзлых пород при проведении
тампонажных работ с использованием ГЖТС с АСПМ.
Объем
и
структура
диссертационной
работы.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных
выводов
и
рекомендаций,
библиографического
списка,
включающего 105 наименований. Материал диссертации изложен на
143 страницах, включает 29 таблиц, 45 рисунков, 1 приложение.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении приводится общая характеристика работы,
обосновывается еѐ актуальность, определяется цель, идея, задачи
работы, излагаются защищаемые научные положения, научная
новизна и практическая значимость.
6
В
первой
главе
произведѐн
анализ
геологогидрогеологических условий полигонов по захоронению дренажных
вод вблизи алмазоносной трубки «Удачная» республики Саха
(Якутия); анализ характерных осложнений, возникающих при
креплении скважин в криолитозоне, и методы для их
предупреждения.
Дан
анализ
современного
применения
газожидкостных тампонажных смесей, тампонажных растворов с
полыми микросферами и тампонажных составов с совместным
включением полых микросфер и газовых пузырьков при
строительстве скважин.
Во второй главе изложена методика экспериментальных
исследований свойств разрабатываемых составов. Дана методика
обработки экспериментальных данных. Приводится описание
разработанного системно-аналитического метода проведения
экспериментов.
В
третьей
главе
приводится
теоретическое
и
экспериментальное
исследование
теплофизических
свойств
газожидкостных тампонажных смесей с полыми микросферами и
расчѐт условий нерастепления мерзлых пород при их использовании.
В четвѐртой главе представлены результаты исследований
технологических свойств газожидкостных тампонажных смесей с
алюмосиликатными полыми микросферами и образуемого
цементного камня для крепления скважин в криолитозоне.
В пятой главе даны рекомендации по разработке
газожидкостных тампонажных смесей с АСПМ, оценка их техникоэкономической эффективности и экологической безопасности.
В заключении приводятся основные выводы и рекомендации.
Защищаемые научные положения.
1. Введение в состав газожидкостной тампонажной смеси
алюмосиликатных полых микросфер (АСПМ) плотностью
0,45 г/см3 в количестве 5-15 % от массы твердой фазы позволяет
понизить теплопроводность образуемого тампонажного камня
по сравнению с обычным пеноцементным камнем до 50 % при
равном объеме газовой фазы, что обеспечивает надежную
теплоизоляцию скважин в мерзлых породах при температуре от
0 до -5°С.
7
Использование газожидкостных тампонажных смесей при
креплении скважин в криолитозоне способствует созданию
пассивной теплоизоляции затрубного пространства, препятствующей
движению теплового потока от скважины к мерзлым породам.
Ввиду невысоких значений плотности и наличия полых
ячеек, заполненных газом, ГЖТС и получаемый на их основе
цементный камень обладают более низкими значениями
теплопроводности, нежели обычные тампонажные растворы. Для
придания большей прочности формируемому тампонажному камню
было предложено в состав ГЖТС вводить АСПМ. Помимо этого,
выбор данной добавки был вызван как низкой плотностью и
теплопроводностью, так и невысокой стоимостью.
В современных условиях можно получить тампонажные
растворы с достаточно однородной структурой, которая включает
компоненты с различными теплофизическими свойствами. Из этого
следует, что для оценки теплопроводности ГЖТС применима
модель обобщенной проводимости гетерогенных систем (модель
Оделевского).
Эффективную теплопроводность гетерогенных растворов с
замкнутыми включениями компонентов предлагается определять
методом
последовательного
приведения
структуры
многокомпонентной смеси к бинарной. Для аэрированных
тампонажных растворов сначала оценивается теплопроводность
газожидкостной смеси (λгжс), а потом всей ГЖТС (λгжтс):
(1)
гжс  ж 1  m (1  г ж ) 1  (1  m) 3 , Вт/(моС),
гжтс
 
  1  m (1  
ц
*
гжс


о
ц ) 1  (1  m* ) 3 , Вт/(м С) ,
(2)
где λж, λг, λц  теплопроводности жидкости затворения, газа и
цемента соответственно, Вт/(моС); т' = α/(1+α). Вводимый
коэффициент т* равен:

(3)
m*  1   (1    в ) ,
ц m
где ρц  плотность цемента, кг/м3; α = Vг/Vв – степень аэрации
тампонажной смеси; Vг,Vв  объем газа и жидкости, м3.
Для аэрированного тампонажного состава с включением
АСПМ эффективная теплопроводность также может быть
8
определена путем приведения данной системы к двухкомпонентной,
включающую ГЖТС и АСПМ:
о
гм  гжтс 1  r (1  м гжтс ) 1  (1  r ) 3 , Вт/(м С), (4)
где λм  теплопроводность АСПМ, Вт/(моС). Коэффициент r
вычисляется следующим образом:
t / м
,
(5)
r
t /  м  1 /  ц  m /  ж (  1)
где ρц, ρм, ρж  соответственно плотность цемента, микросфер и
жидкости затворения, кг/м3; t – безразмерный коэффициент, равный
отношению веса микросфер к весу цемента, Gм = (115%)Gц.
Полученные
расчетные
значения
эффективной
теплопроводности ГЖТС с АСПМ и без них в зависимости от
степени их аэрации и водоцементного отношения приведены на
рисунке 1.



λ, Вт/(м°С)
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
α
0
0
1
2
3
Водоцементное отношение m :
0,4
0,4
ГЖТ С
ГЖТ С+АСПМ
0,5
0,5
0,6
0,6
Рисунок 1 – Зависимость эффективной теплопроводности
ГЖТС с АСПМ (10 %) и без них от водоцементного отношения (m)
и степени их аэрации (α)
Эффективная теплопроводность аэрированных составов
понижается при увеличении степени аэрации интенсивнее, чем при
повышении водоцементного отношения. Причем наблюдается
наиболее интенсивное понижение теплопроводности от самого
начала насыщения тампонажной смеси воздухом до значения
степени аэрации раствора равное 2.
9
Значение эффективной теплопроводности получаемого
аэрированного цементного камня с добавлением АСПМ предложено
определять
с
помощью
выражения
теплопроводности
трехкомпонентной смеси с замкнутыми включениями:


V / V
ам  цк  г
 




1 
Vцк / V

1
 (1    )  3
г цк



  Vм / V







1 
Vцк / V

1
 (1    )  3
м цк



 , Вт/(моС), (6)



где λцк  теплопроводность цементного каркаса, Вт/(моС); Vцк, Vм 
соответственно объем цементного каркаса и АСПМ, м3; V – общий
объем тампонажного камня, V = Vцк + Vг + Vм, м3; δ – безразмерный
коэффициент, зависящий от отношения объема газовой фазы к
объему каркаса аэрированного цементного камня (f) и от отношения
веса микросфер к весу цементного каркаса камня (s),
δ = 1  1/(1+f+sρцк/ρм). Отношения объемов отдельных компонентов,
входящих в состав камня, к общему объему камня можно
представить в следующем виде:
Vг/V = f/(1+f+sρцк/ρм), Vцк/V = 1/(1+f+sρцк/ρм), Vм/V =
= (sρцк/ρм)/(1+f+sρцк/ρм),
где f – безразмерный коэффициент, равный отношению объема газа
к объему цементного каркаса, f = Vг/Vцк.
Эффективная теплопроводность цементного каркаса может
быть приближенно оценена по формуле В.П. Некрасова:
о
(7)
цк  1,16 (0,0196 0,22 2 )  0,16 , Вт/(м С),
где γ – плотность цементного каркаса по отношению к плотности
воды, безразмерная величина.
На основании полученных результатов эффективной
теплопроводности аэрированного тампонажного камня с различным
содержанием в них микросфер были получены зависимости
(рисунок 2), показывающие, что при повышении концентрации
АСПМ в составе ГЖТС снижается теплопроводность образуемого
цементного камня. Значения эффективной теплопроводности
аэрированного цементного камня с полыми микросферами
оказались достаточно низкими.
10
λ ам , Вт/(м°С)
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
s
0
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
Отношение объема газовой фазы к объему каркаса камня (f) :
0,12
1
0,14
2
0,16
3
4
Рисунок 2 – Зависимость теплопроводности тампонажного камня от
отношения объема газовой фазы к объему каркаса камня (f) и от
отношения веса микросфер к весу цементного каркаса камня (s)
Для проверки полученных значений эффективной
теплопроводности аэрированного цементного камня, содержащего
АСПМ, был изготовлен специальный стенд (рисунок 3), который
включал в себя каркас 3 с крышкой, выполненные из
теплоизолятора. В каркас помещались образец цементного камня 5 и
призматическая металлическая полая емкость 1, которая
заполнялась теплой водой 2. Температура измерялась с помощью
термопар 4.
Коэффициент теплопроводности цементного камня (λ*цк) для
данной системы можно найти по следующей формуле:
*цк 
C  m    (tкон  tнач ) , Вт/(моС),
b  h  (tср  tнач )  tвр
(8)
где С – удельная теплоемкость воды; tнач и tкон – температура воды в
начале и в конце эксперимента, °С; т – масса воды, кг; δ, b и h –
соответственно, толщина, ширина и высота образца камня, м.
Для упрощения расчетов теплофизические свойства
металлических
стенок
емкости
не
учитывались,
т.к.
теплопроводность стали во много раз больше теплопроводности
цементного камня. Перед проведением эксперимента производилась
балансировка температур наливаемой воды и стенок емкости.
Теплопроводность аэрированного цементного камня, во
многом, зависит от плотности и степени его увлажненности. При
проведении экспериментов по исследованию теплопроводности
11
камня не учитывалась степень его увлажнѐнности. Однако, при
расчѐтах по формулам (7) и (8) рассматривался цементный камень с
одинаковым составом и при схожих условиях твердения.
1
δ
2
b
3
4
5
Рисунок 3 – Стенд для исследования теплопроводности цементного
камня
Расхождения значений эффективной теплопроводности
образуемого цементного камня, вычисленных по формулам (6) и (8),
составило не более ±8 % (рисунок 4). Исходя из этого, можно
утверждать о достаточной достоверности найденных значений.
На рисунке 4 значению коэффициента s равное 0,037
соответствует 5 %-ое содержание АСПМ в составе цементного
камня, 0,077 – 10 %-ое содержание, 0,120 – 15 %-ое содержание.
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
λцк, Вт/(м°С)
0,0
0,1
0,2
f
Экспериментальные данные при s=0
Экспериментальные данные при s=0,077
Модель Оделевского при s=0,037
Модель Оделевского при s=0,12
0,3
0,4
0,5
Экспериментальные данные при s=0,037
Модель Оделевского при s=0
Модель Оделевского при s=0,077
Экспериментальные данные s=0,12
Рисунок 4 – Значения теплопроводности цементного камня от
содержания полых микросфер и отношения объема газовой фазы к
объему каркаса камня (f)
12
На основании данных, полученных экспериментальным
путем, можно сделать вывод о том, что ввод АСПМ в количестве от
5 до 15 % способствует понижению значений теплопроводности
цементного камня до 50 %. Таким образом, увеличение содержания
полых микросфер и повышение аэрации тампонажного раствора
ведет к уменьшению его теплопроводности.
При проведении тампонажных работ с использование ГЖТС
с АСПМ в условиях криолитозоны необходимо прогнозировать
состав и свойства ГЖТС с АСПМ по степени аэрации, концентрации
АСПМ и водотвердому отношению с учѐтом состава и свойств
ММП на основе оптимизированного для данных смесей расчѐта по
определению условий нерастепления ММП Б.Б. Кудряшова:
0  
при  
Qгм 

  Qгм
1  Qгм  1
2

, Qгм

0
tгм
 Тп
,
Тп
(1    r )  Qцс  (1  е  a )
, 0 
(9)
,
 гм
s / м


,r
,
  1  h   ж /  м   ж /(m   ц )
s /  м  1 /  ц  m /  ж (а  1)
Cгм (Т п )
0
где Тп и tгм
– начальные температуры мерзлых пород и ГЖТС,

содержащей полые микросферы, соответственно, ºС; Qгм
– полное
количество тепла, выделяющееся при твердении единицы массы
цемента, кДж/м3; ω – массовая доля цемента в растворе; Сгм –
удельная теплоемкость ГЖТС с АСПМ, Дж/(кг°С); ρгм – плотность
ГЖТС, включающей полые микросферы, кг/м3; h  безразмерный
коэффициент, равный отношению веса АСПМ к весу воды,
Gм = (225%)Gв; а – параметр, характеризующий интенсивность и
скорость тепловыделения (в первом приближении а = const и
зависит только от начальной температуры ГЖТС с АСПМ), час-1; τ –
время, час; α – степень аэрации раствора; Qцс – максимальное
тепловыделение тампонажной смеси, кДж/м3; ξ1 и ξ2 – максимальные
значения функций, зависящие от параметров kλ, ka и b.
С учетом теплофизических свойств ГЖТС с АСПМ
параметры kλ, ka и b рассчитываются по следующим формулам:
13
k 
a R2
гм
а
, k а  гм , b  гм с ,
п
ап
aп
(10)
где агм, ап – коэффициенты температуропроводности ГЖТС с
полыми микросферами и мерзлых пород, соответственно, м2/с; Rс –
радиус скважины, м.
По вышеприведенной методике были определены условия,
при которых ММП не начнут растепляться под воздействием тепла,
исходящего от ГЖТС с АСПМ в процессе тампонирования
затрубного пространства и образования цементного камня.
Результаты расчетов сведены в таблицу 1.
Таблица 1 – Зависимость предельной начальной температуры ГЖТС
с АСПМ от степени аэрации ГЖТС и содержания АСПМ для пород
с различной температурой (Tп) и содержанием льда (η)
Предельная начальная температура ГЖТС с АСПМ при
Содержание Степень различном процентном содержании льда мерзлых пород, °С
Tп, °С
АСПМ, аэрации
Льдистость известняка
Льдистость мергеля
мас.ч.
0
10
20
30
0
10
20
30
5
-1,0
10
15
5
-4,0
10
15
0,2
0,5
1
0,2
0,5
1
0,2
0,5
1
0,2
0,5
1
0,2
0,5
1
0,2
0,5
1
3,64
4,83
6,84
4,00
5,25
7,24
4,39
5,70
7,65
14,56
19,34
27,38
16,01
21,02
28,96
17,58
22,79
30,59
3,58
4,82
6,88
3,95
5,24
7,28
4,34
5,69
7,70
14,34
19,27
27,54
15,79
20,95
29,14
17,37
22,75
30,79
3,58
4,86
7,00
3,95
5,29
7,41
4,35
5,75
7,83
14,34
19,44
28,00
15,82
21,16
29,63
17,42
23,00
31,32
14
3,61
4,93
7,15
3,99
5,38
7,57
4,40
5,85
8,00
14,46
19,74
28,62
15,96
21,51
30,29
17,61
23,40
32,02
3,48
4,66
6,63
3,83
5,06
7,01
4,21
5,49
7,41
13,94
18,64
26,54
15,33
20,25
28,06
16,84
21,97
29,64
3,47
4,69
6,73
3,82
5,10
7,12
4,21
5,54
7,53
13,90
18,77
26,95
15,31
20,41
28,50
16,84
22,17
30,11
3,50
4,76
6,88
3,86
5,18
7,28
4,25
5,64
7,70
14,00
19,05
27,54
15,44
20,74
29,13
17,01
22,55
30,79
3,54
4,85
7,06
3,91
5,29
7,47
4,32
5,76
7,90
14,18
19,42
28,24
15,66
21,16
29,88
17,28
23,03
31,59
В результате расчетного анализа было оценено влияние
степени аэрации (от 0,2 до 1) тампонажной смеси, водотвердого
отношения (0,4), содержания АСПМ (5-15 мас.ч.), диаметра
скважины (0,172 м), состава и свойств мерзлых пород на предельно
допустимую начальную температуру ГЖТС с включением АСПМ.
Повышение газовой составляющей тампонажной смеси,
низкая температура ММП и увеличенное содержание в породе льда
обуславливает возможность закачки в скважину ГЖТС с АСПМ с
более высокой температурой, которая не повлияет на растепление
стенок скважины.
Предупредить протаивание мерзлых пород можно путѐм
регулирования газововлечения и водотвердого отношения
тампонажной смеси, а также заранее охлаждая еѐ компоненты.
Помимо этого, обозначенная проблема может решаться за счѐт
включаемых в состав ГЖТС полых микросфер.
2. Газожидкостная тампонажная смесь со степенью
аэрации от 0,2 до 0,94, приготовленная на основе
гипсоглиноземистого цемента с добавкой хлорида и нитрата
кальция в количестве 2 %, АСПМ – 5-15 % и СДО – 0,5 % при
водотвердом отношении равном 0,35, позволяет повысить
прочность цементного камня в пределах от 5 % до 38 %.
На основании проведенных экспериментов по определению
сроков схватывания тампонажных смесей в качестве минерального
вяжущего вещества был выбран гипсоглиноземистый цемент. Для
сокращения времени схватывания смесей, препятствованию
замерзания растворов при схватывании и затвердевании в условиях
отрицательных температур предложено дополнительно вводить в их
состав CaCl2 и Ca(NO3)2.
Результаты определения сроков схватывания тампонажных
смесей от различного содержания в них алюмосиликатных полых
микросфер и температуры представлены на рисунке 5.
В составе исследуемых тампонажных растворов входило по
2 % CaCl2 и Ca(NO3)2, а также 0,5 % СДО (смолы древесной
омыленной). Водотвердое отношение равнялось 0,35.
Время схватывания смесей повышается при увеличении
концентрации микросфер. Это можно объяснить тем, что с ростом
15
содержания АСПМ в составе тампонажной смеси уменьшается
процентное содержание вяжущего компонента. Практически у всех
растворов (кроме первого) сроки схватывания не выходят за рамки
предъявляемых
требований,
сопряженных
с
условиями
криолитозоны (начало – не ранее 2 часов, конец – не позднее 10
часов).
340
345
Время схватывания, мин
302
350
300
154
250
200
76
150
100
121
85
44
78
52
50
130
135
88
56
89
55
0
0
5
10
конец, 0±5°С
начало, 0±5°С
конец, 20±2°С
начало, 20±2°С
15
Рисунок 5 – Зависимость сроков схватывания тампонажных смесей
от содержания в их АСПМ и температуры окружающей среды
По исследованию шлифов цементного камня установлено,
что введение 0,5 % СДО в состав ГЖТС позволяет получить
структуру камня с размерами пор менее 250 мкм (рисунок 6).
Воздухововлекающая способность этих смесей достаточно
высока. Для большего снижения плотности и повышения
воздухововлекающей
способности
необходимо
повышать
содержания воды, что, в свою очередь, неминуемо приведет к росту
времени схватывания смесей и придаст им большую подвижность. С
другой стороны, высокая пористость цементного камня ухудшит его
прочностные характеристики.
Таким образом, разработка тампонажных смесей требует
учѐта множества факторов (их свойства, температуру, давление и
другие), и в зависимости от решаемых задач выбирают наиболее
приемлемый состав.
16
Рисунок 6 – Структура образуемого цементного камня
Прочность при изгибе через 2
сут, МПа
Результаты экспериментов по определению совместного
влияния степени аэрации ГЖТС и полых микросфер, содержащихся
в составе смеси, на прочность образуемого цементного камня,
твердевшего при температуре 0±5°С, изображены на рисунке 7.
Прочность образуемого цементного камня заметно
повышается при увеличении содержания в нѐм полых микросфер.
При концентрации АСПМ равной 5 % прочность камня падает и
сопоставима с прочностью цементного камня без включения данной
добавки.
1,5
1,4
1,3
1,2
1,1
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0
0,2
0,4
0,6
0,8
Степень аэрации ГЖТС
1
1,2
Содержание микросфер, %:
0
5
10
15
Рисунок 7 – Зависимость прочности цементного камня при изгибе от
степени аэрации ГЖТС и от содержания полых микросфер
17
Наибольшую прочность имеет цементный камень,
содержащий в своем составе 15 % АСПМ, однако, при повышенной
концентрации полых микросфер уменьшается количество
введенного воздуха и снижается подвижность раствора. Среди
рассмотренных тампонажных смесей наихудшие результаты имел
цементный камень, в составе которого отсутствовали микросферы.
Таким образом, введение в состав указанных ГЖТС со степенью
аэрации равной 0,2-0,94 полых алюмосиликатных микросфер в
количестве 15 % от массы твѐрдой фазы позволило повысить
прочность цементного камня в пределах от 5 % до 38 %.
Основные выводы и рекомендации:
1. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена
целесообразность применения газожидкостной тампонажной смеси
для повышения качества крепления скважин в условиях
криолитозоны.
2. Разработан
состав
седиментационно-устойчивого,
низкотеплопроводного тампонажного раствора, позволяющего
повысить качество крепления скважин в интервале криолитозоны,
содержащий 95-85 % гипсоглиноземистого цемента, 5-15 % АСПМ,
2 % CaCl2, 2 % Ca(NO3)2, 0,5 % СДО и 35% воды. Степень аэрации
смеси – 0,2-1,0.
3. Экспериментально подтверждено, что наличие полых
микросфер в составе ГЖТС в количестве от 5 до 15 % позволяет
снизить значения теплопроводности получаемого камня до 50 % по
сравнению с обычным пеноцементным камнем при равном
содержании газовой фазы.
4. На основании вычислительного эксперимента установлены
математические зависимости, определяющие условия нерастепления
мерзлых пород при количественном соотношении компонентного
состава ГЖТС.
5. Разработанная ГЖТС, содержащая АСПМ, характеризуется
относительно низкой стоимостью, и еѐ применение позволит
снизить риски возникновения осложнений, свойственных условиям
криолитозоны, что повысит долговечность крепи скважин.
18
Основные
положения
и
научные
результаты
опубликованы в следующих работах:
а) в периодических изданиях рекомендованных ВАК:
1. Мерзляков, М. Ю.
Оценка
теплофизических
свойств
аэрированных тампонажных смесей и получаемого камня для
крепления
скважин
в
многолетнемерзлых
породах
/
М. Ю. Мерзляков, А. А. Яковлев // Инженер-нефтяник. – 2014. –
№ 4. – С. 8-14.
2. Мерзляков, М. Ю. Применение тампонажных растворов с
включением полых микросфер при креплении скважин в
криолитозоне / М. Ю. Мерзляков, А. А. Яковлев // Горный
информационно-аналитический бюллетень. – 2015. – № 5. – С. 170176.
3. Ефименко, С. В. Разработка концепции метода ускоренного
проведения экспериментов по нахождению состава тампонажных
смесей для строительства скважин в условиях вечной мерзлоты /
С. В. Ефименко, М. Ю. Мерзляков, В. Е. Трушников, А. А. Клавдиев
// Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2016. – № 1.
– С. 48-56.
4. Мерзляков, М. Ю.
Рекомендации
по
разработке
газожидкостных тампонажных смесей для крепления скважин в
криолитозоне / М. Ю. Мерзляков, А. А. Яковлев // Инженернефтяник. – 2015. – № 4. – С. 19-23.
б) в других изданиях:
5. Мерзляков, М. Ю. Исследование технологических свойств
аэрированных тампонажных составов с включением в них полых
алюмосиликатных микросфер / М. Ю. Мерзляков, А. А. Яковлев //
Вестник ПНИПУ. Геология. Нефтегазовое и горное дело. – 2015. –
№ 14. – С. 13-17.
6. Мерзляков, М. Ю. Крепление скважин в многолетнемерзлых
породах с использованием газожидкостных тампонажных смесей /
М. Ю. Мерзляков // Материалы XII Международной научнопрактической конференции «Новые идеи в науках о Земле» (Москва
: Российский государственный геологоразведочный университет, 8–
10 апреля, 2015 г.). – т. 2. – М. : МГРИ-РГГРУ, 2015. – С. 178-179.
19
7. Мерзляков, М. Ю. Выбор рецептуры газожидкостных
тампонажных смесей для крепления скважин в интервалах залегания
многолетнемерзлых пород / М. Ю. Мерзляков // Научное издание
«Севергеоэкотех-2015» – Материалы XVI международной
молодежной научной конференции «Севергеоэкотех-2015» (2527.03.2015 г., Ухта). – 2015. – С. 38-43.
8. Мерзляков, М. Ю.
Оценка
теплофизических
свойств
аэрированных тампонажных смесей для крепления скважин в
многолетнемерзлых породах / М. Ю. Мерзляков, А. А. Яковлев //
Геология и нефтегазоносность Западно-Сибирского мегабассейна
(опыт, инновации): Материалы Девятой Международной научнотехнической конференции (посвященной 100-летию со дня
рождения Протозанова Александра Константиновича) / отв. ред.
О.А. Новоселов. – Тюмень : ТюмГНГУ, 2014. – т. 1. – С. 193-197.
9. Мерзляков, М. Ю. Применение аэрированных тампонажных
смесей для создания теплозащитного экрана скважин с условиях
криолитозоны / М. Ю. Мерзляков // Сборник материалов докладов и
тезисов участников VIII Международной научно-практической
конференции молодых учѐных «Актуальные проблемы науки и
техники-2015». – Уфа : УГНТУ, 2015. – С. 55-56.
10.Мерзляков, М. Ю. Крепление скважин в многолетнемерзлых
породах с использованием газожидкостных тампонажных смесей /
М. Ю. Мерзляков // Сборник тезисов одиннадцатой Всероссийской
конференции молодых ученых, специалистов и студентов «Новые
технологии в газовой промышленности» (газ, нефть, энергетика). –
Москва : РГУНиГ, 2015. – С. 126.
20
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа