Справочник бурового мастера


БИБЛИОТЕКА НЕФТЕГАЗОДОБЫТЧИКА И ЕГО ПОДРЯДЧИКОВ (SERVICE)








СПРАВОЧНИК БУРОВОГО МАСТЕРА том I’




Учебно-практическое пособие






Инфра-Инженерия
Москва 2006

   УДК 622.233
   ББК 33.13
   С74

   Рецензенты:
   -    доктор технических наук, профессор С.Н. Бастриков (Сибирский научно-исследовательский институт проектирования скважин -СибНИИП);
   -    доктор технических наук, профессор Ф.А. Агзамов - зав. кафедрой «Бурение нефтяных и газовых скважин» Уфимского государственного технического нефтяного университета.


   Справочник бурового мастера\ Под общей редакцией В.П. Овчинникова, С.И. Грачёва, А.А. Фролова.
   Учебно-практическое пособие в 2-х томах.

   Институт нефти и газа Тюменского государственного нефтегазового университета.

   В справочнике изложены описание и технические характеристики применяемого бурового оборудования, инструмента, материалов для строительства скважин различного назначения. Даны рекомендации по обоснованию их выбора для конкретных геолого-технологических условий бурения скважин. Описан опыт применения новых технологий на различных стадиях строительства скважины на ряде месторождений Западной Сибири.
   Данное пособие предназначено для инженерно-технических работников, аспирантов и студентов высших и средних специальных учебных заведений, занимающихся изучением и решением проблем, возникающих при строительстве скважин.



М.: «Инфра-Инженерия», 2006. - 608 с.




© Коллектив авторов, 2006
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2006



   ISBN 5-9729-0006-8
   ISBN 5-9729-0008-4

Справочник бурового мастера


    АВТОРСКИЙ КОЛЛЕКТИВ

   -    В.П. Овчинников - доктор технических наук, профессор, директор института нефти и газа ТюмГНГУ, заведующий кафедрой «Бурение нефтяных и газовых скважин», (главы 1, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 14, 15).
   -    С.И. Грачев - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Разработка и эксплуатация нефтяных месторождений», (главы 2, 3, 4, 5, 6, 11, 12, 13, 15).
   -    Г.П. Зозуля - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Ремонт и восстановление скважин», (глава 7).
   -    Г.А. Кулябин - доктор технических наук, профессор кафедры «Бурение нефтяных и газовых скважин», (главы 5, 6, 14.)
   -    А.А. Фролов - доктор технических наук, генеральный директор ООО «Бургаз» ОАО «Газпром», (главы 9, 10.)
   -    М.С. Бахарев - доктор технических наук, директор Сургутского института нефти и газа ТюмГНГУ, (главы 3, 15.)
   -    П.В. Овчинников - кандидат технических наук, доцент кафедры «Бурение нефтяных и газовых скважин», начальник управления технологической службы ООО «Бургаз», (главы 5, 9, 10, 12.)
   -    Н.А. Аксенова - кандидат технических наук, доцент кафедры «Бурение нефтяных и газовых скважин», (главы 8, 9, 10.)
   -    Е.И. Гаврилов - кандидат технических наук, заведующий кафедрой «Проектирование сооружения и эксплуатации нефтяных и газовых скважин» Нижневартовского филиала ТюмГНГУ, (глава 2.)
   -    Л.А. Паршукова - кандидат технических наук, доцент кафедры «Ремонт и восстановление скважин» Института нефти и газа ТюмГНГУ, (глава 7.)
   -    Ю.А.Петухов - ведущий инженер ЗАО «СибНИПИ» Нефтяные горизонты», (главы 2, 4, 5, 11.)
   -    В.Е. Тер-Саакова - ассистент кафедры «Бурение нефтяных и газовых скважин» Института нефти и газа ТюмГНГУ, (глава 8.)
   -    С.Л. Юртаев - главный инженер ООО «Буровая К⁰ Аргиллит», (глава 11.)
   -    П.М. Сорокин - кандидат экономических наук, доцент, зав. кафедрой «Нефтегазовое дело» Сургутского института нефти и газа ТюмГНГУ, (главы 3, 12.)
   -   А.Ю.Харин, С.Б. Харина - инженеры, (глава 16)

3

БИБЛИОТЕКА НЕФТЕГАЗОДОБЫТЧИКА И ЕГО ПОДРЯДЧИКОВ (SERVICE)

          Глава IX

          РАЗОБЩЕНИЕ

          ПРОДУКТИВНЫХ ПЛАСТОВ (ЦЕМЕНТИРОВАНИЕ СКВАЖИН) (Составители: Овчинников В.П., Фролов А.А., Овчинников П.В., Аксенова Н.А.)

          § 1. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ТАМПОНАЖНЫХ МАТЕРИАЛОВ

   Выбор тампонажных материалов и растворов на их основе должен осуществляться с учетом следующих требований:
   -   тампонажный материал и сформированный из него камень должны соответствовать диапазону статических температур в скважине по всему интервалу цементирования;
   -   рецептура тампонажного раствора подбирается по динамической температуре и давлению, ожидаемым в цементируемом интервале скважины;
   -   плотность тампонажного раствора должна быть, как правило, не ниже плотности бурового раствора. Ограничением верхнего предела плотности тампонажного раствора при прочих равных условиях является недопущение гидроразрыва пород.
   -   цементный камень при наличии в цементируемом интервале агрессивных сред должен быть коррозионностойким к воздействию этих сред.
   Тампонажные материалы, используемые при строительстве скважин, должны иметь соответствующие сертификаты качества. Свойства тампонажных материалов и формируемого из них цементного камня должны соответствовать требованиям стандартов. Порядок хранения и сроки использования тампонажных материалов устанавливаются заводом-изготовителем.
   Для сохранения естественной проницаемости пористых и пористо-трещиноватых коллекторов продуктивных отложений тампонажные растворы должны иметь минимально возможную фильтрацию. Общая минерализация тампонажных растворов должна быть близка к минерализации буровых растворов, применяющихся при вскрытии продуктивных горизонтов.
   Расчетная продолжительность процесса цементирования


4

Справочник бурового мастера

обсадной колонны не должна превышать 75% времени начала загустевания тампонажного раствора.

           § 2. КЛАССИФИКАЦИЯ ТАМПОНАЖНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПО ГОСТ 1581-96

   Тампонажными называются материалы, которые при затворении с водой образуют суспензии, способные в условиях скважины превращаться в практически непроницаемое твердое тело.
   Тампонажные материалы классифицируются по следующим признакам: по виду клинкера и составу основных компонентов, температуре применения, средней плотности тампонажного раствора, устойчивости к воздействию агрессивных пластовых вод; объемным деформациям при твердении.
   По виду клинкера и составу компонентов тампонажные цементы подразделяются на основе: портландцементного клинкера; глиноземистого клинкера; безклинкерные.
   По вещественному составу цементы подразделяют на следующие типы:
   I - тампонажный портландцемент бездобавочный;
   I-G - тампонажный портландцемент бездобавочный с нормированным требованиями при водоцементном отношении, равном 0,44 ГОСТ 26798.1 -96;
   I-H - тампонажный портландцемент бездобавочный с нормированными требованиями при водоцементном отношении, равном 0,38 ГОСТ 26798.1 -96;
   II - тампонажный портландцемент с минеральными добавками;
   III - тампонажный портландцемент со специальными добавками, регулирующими плотность цементного раствора.
   По плотности цементного теста цемент типа III подразделяют на :
   - облегченный (Об);
   - утяжеленный (Ут).
   По температуре применения цементы типов I, II, III подразделяют на цементы, предназначенные для:
   - низких и нормальных температур (15-50) ⁰С;
   - умеренных температур (51-100) ⁰С;
   - повышенных температур (100-150) ⁰С.
   По сульфатостойкости цементы подразделяют на:
   а) типы I, II, III


5

БИБЛИОТЕКА НЕФТЕГАЗОДОБЫТЧИКА И ЕГО ПОДРЯДЧИКОВ (SERVICE)

   -    обычный (требования по сульфатостойкости не предъявляют);
   -   сульфатостойкий (СС);
   б) типы I-G и 1-Н
   -  высокой сульфатостойкости (СС-1);
   -  умеренной сульфатостойкости (СС-2).

   Условное обозначение цементов должно состоять из:
   -    буквенных обозначений цемента: ПЦТ - портландцемент тампонажный;
   -  обозначение типа цемента - по 2.1;
   -  обозначение сульфатостойкого цемента - по 2.4;
   -    обозначение средней плотности для цемента типа III - по таблице 9.1;
Т а б л и ц а 9.1


Обозначение средней плотности для цемента типа III

   -    обозначение максимальной температуры применения цемента - по 2.3;
   -    обозначение гидрофобизации или пластификации цемента - ГФ или ПЛ;
   -  обозначение стандарта ГОСТ-1581-96.

   Примеры условных обозначений
   1.    Портландцемент тампонажный с минеральными добавками сульфатостойкий для низких и нормальных температур
   ПЦТ И-СС-50 ГОСТ 1581-96
   2.    Портландцемент тампонажный бездобавочный с нормированными требованиями при водоцементном отношении, равном 0,44, умеренной сульфатостойкости
   ПЦТ I-G-СС^ ГОСТ 1581-96
   3.    Портландцемент тампонажный со специальными добавками облегченной плотностью 1,53 г/см³, для умеренных температур гидрофобизированный
   ПЦТ III-Об 5-100-ГФ ГОСТ 1581-96

6

Справочник бурового мастера

         § 3. ТРЕБОВАНИЯ ГОСТ 1581-96 К ФИЗИКОМЕХАНИЧЕСКИМ СВОЙСТВАМ ТАМПОНАЖНОГО ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА, РАСТВОРУ И СФОРМИРОВАННОМУ НА ЕГО ОСНОВЕ КАМНЮ

  Вещественный состав цементов всех типов должен соответствовать значениям, указанным в таблице 9.2.

Таблица 9.2


Вещественный состав тампонажного портландцемента

                                   Содержание добавки (%)             
Тип цемента  Содержание  Минеральная  Специальная добавка - облегчаю 
            клинкера (%)   добавка    щая ( вт.ч. природная пуццолано
                                           вая) или утяжеляющая      
     I                                                               
    I-G         100                   Не допускается                 
    I-H                                                              
    II         80-90     6 - 20*                                     
    III        30-89                               11-70             

*Добавок осадочного происхождения не должно быть более 10% массы цемента

   Требования к физико-механическим показателям, характеризующим тампонажно-технические свойства цементов типов I-III, приведены в таблице 9.3 и 1, а цементов типов I-G и I-H - в таблице 9.4.

Таблица 9.3


Требования к физико-механическим свойствам раствора, камня на основе тампонажного портландцемента типа I-III

                                      Значение для цементов при температурах применения     
       Наименование показателя           Низких и нормальных    Умеренных и повышенных      
                                      тип I, II тип Ill-Об    тип I, II тип Ill-Об тип Ш-Ут
1 Прочность при изгибе, МПа,                                                               
не менее, в возрасте:                                            3,5                       
1 сут                                                                                      
2 сут                                    2,7         0,7                   1,0       2,0   
2 Тонкость помола*:                                                                        
- остаток на сите с сеткой №008                                                            
по ГОСТу 6613, % не более                           10,0                   12,0            
- удельная поверхность, кг/м3,          12,0                  15,0                   12,0  
не менее                                 270                     250               230     
3 Водоотделение, мл, не более            8,7         7,5         8,7       7,5       10,0  
4 Растекаемость цементного теста, мм,                                                      
не менее для цемента:                                                                      
-непластифицированного                   200                     200                       
- пластифицированного                    220                     220                       

5 Время загустевания до консестенции 30 Вс**, мин, не менее
*Допускается определять тонкость помола для цемента типа I только
по удельной поверхности, а для цементов II и 111-Ут - только по остатку на сите
** Еденици консистенции Вердена

7

БИБЛИОТЕКА НЕФТЕГАЗОДОБЫТЧИКА И ЕГО ПОДРЯДЧИКОВ (SERVICE)

Таблица 9.4


Требования к физико-механическим показателям, характеризующим тампонажно-технические свойства цементов типов типов I-G и I-Н


Таблица 9.5


Требования к химическим параметрам цементов

  Портландцементный клинкер по химическому составу должен соответствовать технологическому регламенту. Массовая доля МдО в клинкере не должна быть более 5,0 %.
  Минералогический состав клинкера для сульфатостойких тампонажных цементов должен соответствовать значениям, указанным в таблице 9.6.
Таблица 9.6


Требования к минералогическому составу клинкера тампонажного портландцемента

                                          Значение для клинкера цемента типа и   
         Наименование показателя                   сульфатостойкости             
                                          1, II, III         I-G и 1-Н           
                                              СС         СС-1          СС-2     
Содержание трехкальциевого силиката C3S                                         
не менее                                                  48            48      
не более                                                  65            58      
Содержание трехкальциевого алюмината С3А,                                       
не более                                      5            3       8            
Сумма трехкальциевого алюмината С3А и         22          24*                   
четырехкальциевого алюмоферрита C4AF                                            

Сумма четырехкальциевого алюмоферрита и удвоенного содержания трехкальциевого алюмината

8

Справочник бурового мастера

   Гипсовый камень по ГОСТ 4013. Допускается применение других материалов, содержащих сульфат кальция по соответствующим нормативным документам.
   Облегчающие и утяжеляющие добавки должны обеспечивать получение цемента плотностью, указанной в таблице 9.1 и не должны вызывать деструкцию и коррозию цементного камня.

           § 4. ТАМПОНАЖНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ХИМРЕАГЕНТЫ СОГЛАСНО КЛАССИФИКАЦИИ АР1

   Для цементирования нефтяных и газовых скважин в США в качестве базового цемента используется портландцемент -чистый или с примесями.
   Такие тампонажные материалы подразделяются на девять основных классов (А, В, С, D, Е, F, G, Н, I) по следующим признакам: приблизительный интервал глубин и оптимальные температуры использования, сульфатостойкость соответствующего класса.

   Дополнительные требования к тампонажным растворам таковы:
   -   максимальная седиментация для цементов классов G и не должна превышать 1,4 %;
   -   прочность на сдавливание камня из цемента класса I через 7 сут не должна быть ниже, чем через 1 сут твердения.
   Время твердения растворов обусловлено продолжительностью процесса цементирования с запасом 25%. Для цементов классов G и Н задается минимальное время затвердения, которое составляет 2 ч.
   Давление при проведении измерений времени затвердения должно соответствовать гидростатическому давлению, которое создается цементным раствором с определенной плотностью.
   Для цементирования скважин со сложными геолого-техническими условиями, которым не соответствуют портландцементы по классификации API, используются специальные цементы.
   К специальным цементам относятся следующие:
   1. Облегченные тампонажные материалы, в частности, пу-

9

БИБЛИОТЕКА НЕФТЕГАЗОДОБЫТЧИКА И ЕГО ПОДРЯДЧИКОВ (SERVICE)

цолановый цемент (изготавливается путем совместного помола портландцементного клинкера и пуццолана), цементнозольные смеси, пуцоланово-известковый и зольно-известковый цементы.
   Существуют также методы образования сверхлегких тампонажных растворов (р < 1250 кг/м³). Такая низкая плотность тампонажного раствора достигается путем насыщения его пустотными микросферами или сжатым азотом при предварительной его обработке ПАВ, стабилизирующим пену.
   2.   Утяжеленные тампонажные материалы, которые образуются двумя способами:
   -    введением примеси утяжелителя, в частности, песка, барита, ильменита, гематитовой руды;
   -    снижением водоцементного отношения с сохранением подвижности тампонажного раствора за счет введения в него пластификаторов.
   3. Расширяющиеся цементы.
   Расширение в специальных цементах, которые изготавливаются в США, обусловлено образованием в процессе гидратации гидросульфоалюминатов типа эттрингита. Абсолютная величина расширения не должна превышать 0,5 %.
   Существует три основных типа расширяющихся цементов:
   1)   тип К - смесь портландцемента с сульфоалюминатом кальция;
   2)    тип S - портландцемент (класс А) с повышенным содержанием С3А и примесью СаSO4 ¹'/2Н2О;
   3)   тип М - портландцемент (класс А) с незначительной примесью кислотостойкого цемента.
   К специальным цементам также относят:
   -    цементы с примесью латекса (латекс-цементы); они отличаются низкой водоотдачей, улучшенными реологическими параметрами, а цементный камень приобретает высокую упругость;
   -    портландцементы с примесью бентонита (8-25 %) и пластификаторов (лигносульфоната); такие составы имеют низкую водоотдачу и относятся к облегченным цементам;
   -    солевые гельцементы, которые изготавливаются из портландцемента, бентонита (12-16 %), соли (например, МаС1), лигносульфоната кальция (0,1-1,5 %); они отличаются пониженной вязкостью и используются для цементирования солевых отложений.

10