1

1

Программа SPE SPE SPE SPE выдающиеся лекторывыдающиеся лекторывыдающиеся лекторывыдающиеся лекторыПрограмма выдающиеся лекторы SPE спонсируется главным образом через грант Фонда SPE.

Общество выражает благодарность компаниям, поддерживающим программу, направляя своих сотрудников для участия в ней в качестве лекторов. Отдельная благодарность Американскому институту горной, металлургической и нефтяной промышленности (AIME) за его вклад в программу

Общество инженеров-нефтяниковПрограмма выдающиеся лекторыwww.spe.org/dl

Цемент и цементирование:

Устаревший метод в будущем?

Бернар Пийо

Шлюмберже

Общество инженеров-нефтяников

Программа выдающиеся лекторы

www.spe.org/dl

2

3

Содержание

• Цемент

• Цементирование: необходимое зло?

• Альтернативные методы изоляции• Современные проблемы-вызовы скважины

- многостороннее использование цемента

• Инструмент построения скважины будущего

4

Цемент

Материал и правила

3

5

0:00 0:30 1:00 1:30 2:00Time (HH:MM)

0

20

40

60

80

100

Vis

cosi

te(B

c)

Thickening time test (neat class G)

0:00 0:30 1:00 1:30 2:000

20

40

60

80

100

Consistency, Bc

Time, h

Портландцемент

• Гидравлическое цементирующее

средство

• Суспензия (пастообразная масса или

жидкий цементный раствор)для

размещения

• Контролируемое схватывание

• Твердое вещество

– Густое

– Непроницаемое

• Недорогой

• Имеется повсюду 0 15 30 45 60 75

Time (HH)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

Com

pres

sive

Stre

ngth

Typ

eB

(psi

)

Тест нарастания прочности (чистый класс G)

Время,

часы0 15 30 45 60 75

Прочность на сжатие, psi

1,000

500

1,500

2,000

2,500

3,000

3,500

4,000

0

6

История развития промыслового цемента

• До нашей эры

– Глина, известь

Ca(OH)2 + CO2 � CaCO3

• Эпоха римской империи

– Пуццолановые цементы

• 1824: Портландцемент

– Отобранные сырьевые материалы

• 1903: Использование портландцемента в

нефтяных скважинах

• 1917: «Промысловые» цементы

• Создание API 20 марта 1919

• 1940: ASTM типы от 1 до 5

• 1948: Выпущен код API 32

– Стал API RP10B в 52

• 1952: 6 классов цемента

• 1953: API Std 10 A

• API Spec 10 A в 72

• ISO 10426 c 2000

4

7

Типы цемента

• Строительный цемент

– Обычный цемент

– API классы А. В, С

• Цемент с замедленным периодом схватывания

– Более глубокие скважины

– Классы D, E, F,

– Консистометр для замеров под давлением

– Компании, занимающиеся цементированием

– Ликвидирован в начале 80-х

• Простой портландцемент

– Классы G , H

– Контроль качества, воспроизводимость

– Более универсальный

• Цемент класса J

– Замещается G/H + кремний

• Шлаковый цемент

– ~80-е сопротивление соляному раствору

– ~90-е совместимость с буровым раствором

• Прочие

8

Использование Цемента

• США

– ~ 80 % класса H и Г

– ~ 10 % класса А , ~ 10% класса C

• В других странах (международные сервисные компании)

– >95% класса Г (часто импортируется)

– Класс А или С; или местный обычный цемент: предпочтительно типа V (ASTM)

или CEM-I 42.5 или 52.5 (EN 197-1)

• Учет логистики

• При хорошем или умеренном качестве

• При соответствующем контроле качестве

5

9

От API до ISO (начиная с 1998 г.)

• API комитет 10

• ISO TC 67 / SC 3/WG 2

• ISO 10426 – тампонажные цементы – ISO 10426-1 (ANSI/API 10A) – Спецификация

– ISO 10426-2 (ANSI/API RP 10B-2) - тестирование

– ISO 10426-3 (ANSI/API RP 10B-3) – глубоководные скважины

– ISO 10426-4 (ANSI/API RP 10B-4) - пеноцемент

– ISO 10426-5 (ANSI/API RP 10B-5) – усадка/ расширение

– ISO 10426-6 (ANSI/API RP 10B-6) – статическое напряжение сдвига

• Другие рабочие группы: – Оценка (каротаж), высокая температура, глубоководные скважины…

10

Цементирование:

Необходимое зло?

Эволюция оборудования и технологии,

И обзор недостатков

6

11

Более чем столетняя технология

• Первое цементирование скважины~ 1903 г.

– Perkins Oil Well Cementing Co., Calif.

– Лопаточный/ цементный миксер

• Первое применение эдуктора

– Изобретение гидросмесителя в 1921 г.

– Смещение при «высоком давлении»

– Использовался до 1970-х

• Кто-то до сих пор его использует

• Подача цемента самотеком

12

Главные задачи цементирования

• Якорь обсадной колонны

(осевая опора)

• Защита от коррозии и эрозии

• Опора внутрискважинных стенок

• Разобщение пластов

Скважина

Обсадная

колонна

Цемент

Газовая зона

Нефтяная

зона

7

13

Неудачное разобщение пластов

Опасност

ь ОТБОС

ACP/SCP Исправител

ьные

работы

Ранняя

обводнен

ность

Снижение

продуктивност

и

Межпластов

ое движение

флюида

ЧДД

Потеря Потеря

скважиныскважины

14

Процесс цементирования на поверхности

Добавки

Вода

Раствор

Гомогенизация/

контроль/ЗакачкаСкважина

Дозирование и

смешивание

Сухие добавки

Цемент Смешение

цементной насыпи

8

15

Работа с сухим цементом

• От упаковки в мешки до пневматической транспортировки– Хранение

– Транспортировка

– Смешивание

• Типичные проблемы– Загрязнение

– Влажность (воздух)

– Фильтрационные свойства

– Однородность

• Полностью автоматизированный блендер

16

Контроль процесса приготовления цементной

смеси

SG - 1.0

+РАСТВОР SG ~ 1.9

Цемент

SG - 3.2=

Контроль плотности

9

17

Качество цемента = Характеристики цементного

раствора

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1Density

Viscosity

Gelation

Free Fluid

Stability

Dehydration

Pump Time

Early Strength

� Отношение вода/цемент; наполнитель; утяжелитель

� Понизитель фильтрации

� Противоосаждающее вещество

� Дисперсант/ загуститель

� Замедлитель/ ускоритель

Вязкость

ЗагустеваниеВремя закачки

Свободный флюидДегидрация

Стойкость

Быстрое затвердевание

Плотность

18

Ключевые моменты в истории разработки

цементных добавок

• Лигносульфонаты и целлюлозные полимеры

• Сахара и суперпластификаторы (~ 1960-е)

• Полиамины/имины ( ~1970-е)

• SB латекс ( ~ 1980-е)

• Со/три-полимеры AMPS (~ 1980-е)

– Теплоустойчивость

• Биополимеры (~ 1990-е)

– Не на основе ксантановой смолы

• Экологические чистые добавки (конец 1990-х)

– Конвенция ОСПАР (ОСло-ПАРижs) 1998 г.

10

19

• Исследования процесса

вытеснения

– Флюиды предела текучести

~конец 60-х

– Коэффициент подвижности

/разность скоростей~70-е

– “Закачивайте как можно быстрее”

– Все полуэмпирические

• Крайне противоречивые

резултаты

– Даже по вертикальным скважинам

Процесс цементирования внутри скважины

• Дефекты, выявленные в 30-40-е

• Промысловые технологии– Турбулентное замещение

• Большое число Рейнольдса ~50е• 10-ти мин. контакт ~60е

– SloFlo / Пробковый режим ~70е• Флюид с пределом текучести

DIRECTION OF FLOWV = 0

V = 0

V max

JS1

20

• Более сложные скважины– Наклонно-направленные, горизонтальные

и с большим отходом от вертикали

• Более критичные скважины– Глубоководные, с высоким давлением,

высокой температурой

• Важность для разобщения пластов– Крайне сложное моделирование

– Приборы для вычисления динамики флюида (CFD) не применимы

Моделирование процесса вытеснения

бурового раствора

• Эффекты эксцентриситета

– Моделирование ~ конец 80-х

– Турбулентный/ эффективный ламинарный поток

– Сопоставление реологии /плотности

• Концепция эродируемости / PDGM

– Полимерные буровые растворы

• Числовое 2D моделирование (2002 г.)

• Расчетная модель смазки (2003 г.)

11

21

• Акустический каротаж – Акустический цементомер (CBL) ~60-еs

– Компенсированный акустический цементомер ~80-е

– Сегментированный компенсированный

• Ультразвуковой каротаж– 8 датчиков ~80-е

– 1 вращающийся датчик ~90-е

• Ограничения диаграмм акустического цементомера– Прочность или сопротивляемость ~80-

е

– Микро зазоры между обсадной колонной и цементным камнем / Изоляция???

– Микро нарушения сцепления ~середина 90-х

– Поверхность обсадной колонны исключительно

• Флексурное затухание (2006 г.)– 1 + 3 датчика

– Затрубное пространство, зацементированной по всей ширине

– 3-я поверхность

– Отличие облегченного цемента от жидкостей

– Подтверждение гидравлической изоляции hydraulic isolation

– Визуализация обсадной колонны внутри скважины

Диаграммы качества цемента

22

Альтернативные методы изоляции

Прочие флюиды и средства механизации

12

23

Органические смолы

• Крайне ограниченное применение

– Затраты

– Срок годности

– Чувствительность

– Охрана труда, техника безопасности и охрана окружающей среды

– Совместимость (с водой, буровым раствором…)

– Размещение

– …

24

Механические системы

• Дополнительно к цементу

– Бурение на обсадных трубах, расширяющаяся обсадная колонна (EC)

– Слой набухающего эластомера

• Без цемента

– EC/Обсадная колонна с (нефть или вода) разбухающим пакером

– Другая форма заканчивания

• Цемент может потребоваться для большинства других обсадных колонн

13

25

Современные проблемы скважин

и многостороннее использование

цемента

26

Новые проблемы изоляции пластов

• Старые и истощающиеся месторождения– Заканчивания при более низких давлениях

– Закачка пара, интенсификация притока

– Капитальный ремонт и текущие

ремонтные работы

– Закрытие и ликвидация

• Разведка и новые разработки– Изоляция при более высоком давлении и

температуре

– Малая разность между поровым давлением и давлением гидроразрыва

– В глубоких водах и при более низких температурах

14

27

Необходимость сверхнизкой

плотности

• Обычные цементные растворы

– Напрямую связан с водоцементым

отношением

– Раствор

• Крайне низкая реология

• Устойчивость

– Затвердевший цемент

• Крайне низкая прочность, высокая

проницаемость, продолжительное

время схватывания

• Высококачественный/крайне твердый цемент

– Заимствован из цементной

промышленности

– Одинаковое значение водотвердового

отношения при любой плотности

• От 900 до 2800 кг/м3

– Сходная реология

– Высокая прочность, низкая

проницаемость

28

Контроль качества цемента

Мониторинг твердой фракции

SG - 1.0

+ Цемент

SG - 3.2 Плотность раствора - 1.0 ??

=

Что, если плотность 1.0?

JS2

15

29

Построение скважины и логистика

• Цементы, обладающие качеством более легкой изоляции– Истощенные коллекторы

– Одноступенчатое цементирование

– Эксплуатационный хвостовик вместо обсадной колонны

• Облегченные цементы, быстро схватываются при низких температурахГлубоководные направляющие колонны,

кондукторные колонны…

30

rock

cement

casing

rock

cement

casing

P,T

rock

cement

casing

P,T

Cement A

Cement B

Является ли изоляция устойчивой?

Цемент твердый, но хрупкий

• Понимание дефектов

– P или T увеличиваются

– Бурение, измельчение, ремонт

– P или T снижаются

• Моделирующая способность

– Чувствительность параметров

16

31

Длительная изоляция

• Контролируемые гибкость и расширение– Изоляция сохраняется при

изменениях P и Т

– От строительства до ликвидации

32

Инструмент, используемый при

построении скважины

Выводы

17

33

Цемент в прошлом

• Необходимое зло?

• Полезный продукт?

34

Цементирование сегодня

• Портфель решений– Не только характеристики

цементного раствора

– Установленные свойства

материала

– Кратко/долгосрочные

требования к скважине

• Средства моделирования

– Целевая, экономически

эффективная система

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1Начальная прочность

Прочность цемента \при окончательном схватывании

проницаемость

Усадка

Схватывание

Упругость

Срок службы

Прочность

18

35

Цементирование завтрашнего дня:

Технология будущего

� Развивающаяся

цементная

промышленность

– До сих пор проводятся научные

исследования

– Выбросы CO2

– Важные технологические

разработки

� Нефтепромысловая

цементная промышленность– Больше инструментов в наборе

• Материалы, симуляторы

– Приспособление к требованиям по

скважинам завтрашнего дня

– Истинная технология

проектирования скважины

• Процесс цементирования нефтяных скважин претерпел существенное развитие

• Процесс цементирования нефтяных скважин будет и впредь быстро внедрятся – Появятся новые цементы от производителей цементных материалов

– Индустрия цементных услуг предложит новые инструменты• Физически активные, химически реактивные или инертные материалы

• Средства проектирования/ моделирования процесса

– Истинная технология проектирования скважины

• Интересное будущее– Интегрирование в процесс проектирования и строительства скважины

36

Спасибо за внимание