ВСМ / Справочная информация / Статьи / Применение синтетического полимерного волокна для увеличения эффективности ремонтно-изоляционных работ

Применение синтетического полимерного волокна для увеличения эффективности ремонтно-изоляционных работ

Неизбежно стареющий фонд скважин всё чаще требует проведение ремонтно-изоляционных работ (РИР). Для повышения эффективности актуальна задача совершенствования технологий ликвидации зон интенсивного поглощения.

P.P. Кадыров - доктор технических наук, заведующий лабораторией;
А.С. Жиркеев - кандидат технических наук, с.н.с.;
А.В. Патлай - инженер (ТатНИПИнефть»);
А.А. Савельев - директор департамента исследований и разработок, ООО «Си Айрлайд»;
Д.К. Хасанова - кандидат химических наук, с.н.с.;
Е.Ю. Вашетина - инженер (ООО «Наука»).

Научно-технический журнал "Инженер-нефтянник", 3/2012.

Традиционным методом при ликвидации зон поглощения является применение различных наполнителей, 6ыстросхватывающихся тампонажных материалов. Однако в большинстве случаев эту проблему удаётся решить только ценой неоправданных затрат, средств и времени.

В связи с этим разработана технология РИР с использованием цементоволокнистых материалов. Технология РИР с использованием цементоволокнистых материалов включает в себя использование цементного раствора, содержащего в себе волокнистый наполнитель. В качестве наполнителя используется волокно строительное микроармирующее (далее по тексту - волокно), которое позволяет увеличить эффективность мероприятий по герметизации нарушений, а также цементированию дополнительных колонн, хвостовиков и доподъему цемента за обсадной колонной при проведении работ в условиях поглощений.

Волокно представляет собой полимерные фибриллированные (высокоориентированные) фибры, изготовленные из термопластичных полимеров. Волокно имеет цилиндрическую форму. Общий вид и строение волокна представлены на рис. 1.

Общий вид и строение волокна

Цементные композиции с добавкой волокна отличаются специфическими свойствами: высокой подвижностью при закачивании в кольцевое пространство, высоким кольматирующим эффектом, при этом обеспечивается высокая трещинностойкость. Волокна в тампонажном камне, во-первых, уменьшают образование и распространение трещин усадки при твердении; во-вторых, они не позволяют образовываться и распространяться трещинам, обеспечивая перенос растягивающих напряжений через трещину, волокна, произвольно распределенные в цементном камне, перехватывают микротрещины во время их образования и сдерживают тенденцию их увеличения. Данный метод позволяет обеспечить повышение эксплуатационных показателей заколонного слоя, улучшая его физико-технические показатели и эффективность ремонтно-изоляционных работ.

Технологический процесс производства волокна предусматривает направленную физическую, химическую и композитную модификацию с целью придания механической прочности волокну [1] и химической реакционной активности поверхности (оболочке) волокна к продуктам гидратации цемента. Эта наиболее существенная составляющая волокна определяет функциональное действие направленной кристаллизации цементного камня. Модификация полимера производится различными видами органических и неорганических соединений. Это придаёт поверхности волокна свойства, необходимые для равномерного диспергирования волокон в объёме цементного раствора и химического и механического взаимодействия волокна с дисперсными частицами новообразований, формирующихся при гидратации цемента.

Разработанный технологический процесс производства волокна обеспечивает наиболее плотную наполняемость поверхности и концентрацию молекулярных кластеров в привитом слое. Органические модификаторы оболочки содержат активные функциональные группы, имеющие гидрофильную «головку» (одну или несколько полярных групп типа гидро-, карбокси- и амино групп -ОН, -СООН, -NH2, -S03H, -0S03H, -СООН и т.д.), способные реагировать с клинкерными минералами и продуктами их гидратации, и гидрофобный якорный «хвост», встроенный в основную углеводородную цепь. Вводимые органические и минеральные вещества в расплав полимера оболочки изменяют состав его функциональных групп, образуют дополнительные боковые цепи и сшивки, изменения полярности и фазового состава поверхности. Располагаясь на поверхностях волокна в инициированном состоянии, затравки направленно воздействуют на процесс гидратации, формируя фибриллярные структуры и сростки кристаллогидратов вдоль волокна (рис. 2).

Пример классического волокна

Эти межфазные системы составляют основу образующихся контактных зон, повышают концентрацию кристаллогидратов вблизи поверхности раздела фаз (волокно-цементный камень), что обеспечивает прочное сцепление волокна в цементных системах [2].

Важной частью проблемы создания новых цементных композиционных материалов является получение информации о межфазном физико-химическом взаимодействии цементной матрицы с поверхностью волоконного наполнителя, а также вопрос о влиянии этого взаимодействия на механические характеристики цементных композиционных материалов в целом. Интегральная прочность цементного композита в присутствии волокна определяется рядом факторов, где существенное значение приобретает величина адгезии матрицы к поверхности волокна и величина когезии межфазного слоя новообразований. При достаточно высокой концентрации и удельной поверхности волокон и также при соответствующей толщине и соответствующем минералогическом составе этого слоя начинает играть роль третья фазовая составляющая со своей зависимостью напряженно-деформационных характеристик. Теория межфазных явлений в цементных системах может рассматриваться как совокупность трех основных частей - адсорбции продуктов гидратации на поверхностях, адгезии новообразований к этим поверхностям и минералогического состава и свойств межфазного слоя на границе раздела цементная матрица - волокно. Параметры структурно дисперсного распределения волокна в объеме цементной матрицы определены в зависимости от концентрации волокна в объеме и геометрическими параметрами самих волокон [3]. Так как волокна, являющиеся носителя ми активных центров, имеют протяженную структуру и распределены в объеме цемента равномерно, то при оптимальной дозировке обеспечивают многоуровневую компоновку структуры, запуская механизм самоармирования.

Сущность применения технологии РИР с использованием цементоволокнистых материалов заключается в том, что тампонажный раствор с волокном образует подвижную смесь, которая способна проникать в поры и трещины пласта под избыточным давлением. В то же время фиброцементный раствор не растекается в порах и трещинах, создавая в устье полостей прочный тампон, что обеспечивает экономное расходование тампонажного раствора и сокращение потерь на поглощение пористыми пластами тампонажного раствора на 25-35%. При закачке в пористую среду волокно не оказывает существенного влияния на давление закачки. Волокна ориентированы вдоль закачиваемого потока и практически не оказывают сопротивления при закачке, в то время как при резкой смене направления движения потока волокна оказывают значительное сопротивление (до 10 МПа) в течение времени (обычно до 10 с), необходимого для переориентации волокон, что и обуславливает тампонирование крупных каналов, трещин и пор. Это также наглядно иллюстрируется истечением фиброцементного раствора через крупную металлическую сетку с размером ячейки 1,5x1,5 мм (рис. 3).

Истечение фиброцементного раствора

Как видно из рис. 3, цементный раствор свободно протекает через сетку, а фиброцементный раствор задерживается на сетке, причём не за счёт механического забивания волокнами ячеек сетки, а за счёт структурной прочности фиброцементного раствора вследствие армирования цементного раствора волокном. В конечном счёте закупоривающая способность раствора с волокном в 3,5 раза выше, чем без волокна.

Для оценки физико-механических характеристик фиброцементного раствора в лабораторных условиях по стандартной методике согласно ГОСТ 26798.1-96 при температуре 20 ±2 °С и атмосферном давлении были определены прочностные свойства балочек из цементного камня модифицированным волокном длиной 6, 12, 18 мм диаметром 22-35 мкм. Результаты испытаний представлены в табл. 1.

Таблица 1. Физико-механические характеристики цементного раствора с добавкой волокна.
Виды
компо-
нентов
в рас-
творе
Коли-
чество
компо-
нентов, кг
Рас-
текае-
мость, мм
Водо-
отда-
ча,
мл
за 30
мин
Плот-
ность,
кг/м3
Услов-
ная
вяз-
кость,
с
Время
отверждения,
ч/мин
Механическая прочность образцов
при хранении в пресной воде, МПа
начало ч/минконец ч/мин2 сут7 сут28 сут
изгибсжатиеизгибсжатиеизгибсжатие
Цемент
Вода
1,2
0,6
230177,351840606/508/304,0310,964,517,04,7721,33
Цемент
Вода
BCM-
II-6
1,2
0,6
0,006
225170,371840716/08/504,2411,064,7718,154,8823,66
Цемент
Вода
BCM-
II-12
1,2
0,6
0,006
220151,4418451195/508/254,5111,494,9418,635,4324,26
Цемент
Вода
BCM-
II-18
1,2
0,6
0,006
220141,981860-6/208/404,7812,775,119,985,6825,08

Данные, полученные в результате исследований, позволяют констатировать, что тампонажный камень, полученный при добавлении в цементный раствор волокна, характеризуется повышенной на 15-20% прочностью при изгибе и сжатии по сравнению с тампонажным камнем из раствора без волокна. Раствор, модифицированный волокном, характеризуется стабильной однородностью, обладает высокой седиментационной устойчивостью и пониженной водоотдачей.

Таблица 2. Результаты ремонтно-изоляционных работ, проведённых с использованием цементного раствора с добавкой волокна.
№ п.п.Номер скв., НГДУДата РИРЦель ремонтаКраткое описание работРезультат
123456
110268 Джалиль-нефть27.01.2012цементирование доп. колонныВ скважину была спущена доп. колонна диаметром 120 мм, которая перекрывала несколько нарушений целостности э/к с диаметром 168 мм (стенка 8 мм), чтобы предотвратить уход цемента в нарушения приготовили 5,5 м3 цементного раствора из 7 т цемента с добавкой волокна BCM-II-12 длиной 12 мм из расчёта 1 кг на 1 т цемента. После закачивания 1,5 м3 цементного раствора получили «СТОП», предположительно из-за того, что структурированный фиброцементный раствор ввиду переориентации потока не преодолел проходные отверстия обратного клапана, установленного внизу дополнительной колонны.Отрицательный
2815 Альметьев-нефть31.03.2012герметизация нарушенияНарушение в кондукторе было на глубине 36-39 м. Было проведено 4 безуспешных цементажа. Удельная приёмистость до РИР оставляла 3,75 м3/(ч-МПа). Закачали раствор из 7,5 т цемента и 15 кг волокна длиной 12-18 мм. После закачки 4 м3 цементного раствора получили «СТОП». После 03Ц падение давления при опрессовке с 4 до 1 МПа за 30 минут. В дальнейшем тампонажные работы в интервале 36-39 м не проводились и работы признаны успешными.Положительный
3815 Альметьев-нефть7-8. 04.2012герметизация нарушенияНарушение в кондукторе было на глубине 56-57 м. Был проведён безуспешный цементаж, после которого удельная приёмистость составляла 20 м3/(Ч'МПа). Закачали раствор из 7,5 т цемента и 15 кг волокна длиной 12-18 мм. После 03Ц падение давления при опрессовке с 4 до 0,8 МПа за 30 мин. Исследовали скважину Т, АКЦ, ГГК в интервале 5-87 м, влияние цементной заливки отмечалось во всем интервале исследования, заколонные перетоки данным исследованием не выявлены. В дальнейшем тампонажные работы в интервале 56-57 м не проводились и работы признаны успешными.Положительный
41412 Елховнефть03.2012герметизация нарушенияНарушение в э/к диаметром 146 мм было в интервале 245-250 м. Нарушение принимало при 0 МПа. Закачали цементный раствор из 15 т цемента с добавкой 15 кг волокна BCM-II-18 длиной 18 мм. После РИР приёмистость снизилась в 6,5 раз.Положительный
51608 Елховнефть03.2012герметизация нарушенияНарушение в э/к диаметром 146 мм было в интервале 1195,4-1196,5 м. Уделыая приёмистость нарушения составляла 7,5 м3/(ч-МПа). Закачали цементный раствор из 8 т цемента с добавкой 8 кг волокна ВСМ—11-12 длиной 12 мм. После РИР колонна герметична.Положительный
618861 Лениногорск нефть13.04.2012герметизация нарушенияНарушение в э/к диаметром 146 мм было в интервале 397-399 м. Удельная приёмистость нарушения составляла 3,1 м3/(ч-МПа). Закачали цементный раствор из 7 т цемента с добавкой 7 кг волокна BCM-II-12 длиной 12 мм. В результате удельная приёмистость с 3,1 снизилась до 0,7. Повторно провели закачку 0,3 м3 цементного раствора и получили «СТОП», колонна герметична.Положительный
72541 Бавлынефть27.04.12герметизация нарушенияНарушение в э/к диаметром 146 мм было в интервале 88,8-95,6 м, ранее его пытались герметизировать закачкой жидкого стекла и хлористого кальция с закреплением цементом, в одо на бухающего полимера, результат не был получен. Удельная приёмистость до РИР составляла 18 м3/(ч-МПа). В нарушение был закачан цементный раствор из 7,5 т цемента с добавлением 8 кг волокна BCM-II-12 длиной 12 мм. После закачивания всего цементного раствора в скважину получили «СТОП». После опрессовки э/к падение давления с 5 до 0 МПа за 2 мин, приёмистость снизилась в 18 раз.Положительный

В процессе испытаний было проведено 7 мероприятий с применением технологии в 6 скважинах ОАО «Татнефть». Технологию использовали в основном для герметизации нарушений с большой приёмистостью. Результаты промысловых испытаний приведены в табл. 2. Успешность работ составила 85 %. Причём в среднем на скважину было израсходовано около 8 т цемента, что примерно в два раза меньше по сравнению со штатными технологиями ликвидации зон поглощений. В скважине № 10268 НГДУ «Джалильнефть» работы по цементированию дополнительной колонны были признаны безуспешными предположительно из-за того, что структурированный фиброцементный раствор ввиду переориентации потока не преодолел проходные отверстия обратного клапана, установленного внизу дополнительной колонны, что обусловлено использованием в цементном растворе волокна с большой длиной BCM-II-12.

Исходя из результатов промысловых испытаний, следует, что при проведении работ при поглощениях длину волокна следует подбирать в зависимости от величины поглощения:

  • при удельной приёмистости 3-5 м3/(ч-МПа) используют волокно марки BCM-II-6, длина волокон которой составляет б мм;
  • при удельной приёмистости 5-8 м3/(ч-МПа) используют волокно марки BCM-II-12, длина волокон которой составляет 12 мм;
  • при удельной приёмистости > 8 м3/(ч-МПа) используют волокно марки BCM-II-18, длина волокон которой составляет 18 мм.

В случае использования пакеров с малым диаметром проходного сечения и цементирования летучек работы необходимо проводить с волокном марки BCM-II-3, длина волокон которой составляет 3 мм.

Таким образом, проведённые исследования по отработке технологии по использованию тампонажного цементного раствора с добавлением волокна показали перспективность данной технологии, успешность которой составила 85%.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Перепелкин К.Е. Армирующие волокна и волокнистые полимерные композиты: СПб.: Научные основы и технологии, 2009. - 379 с.
  2. Добавки в бетон: Справочное пособие / B.C. Рамачандран, Р.Ф. Фельдман, М. Коллепарди и др.; под ред. B.C. Рамачандрана. - М.: Стройиздат, 1988. - 575 с.
  3. Рабинович Ф.Н. Композиты на основе дисперсно-армированных бетонов.- М.: Ассоциация строительных вузов, 2004. - 560 с.
Версия для печати