Цементирование глубинных скважин

Цементирование глубинных скважин для добычи углеводородов из подземных залежей является в техническом плане довольно сложной задачей. Температуры до 250⁰ С, давление в несколько сотен атмосфер и углубление буровых скважин от 10 000 м и более требуют высокоразвитых систем цементирования и технического оснащения для закачивания цементных шламов. На основании этих высоких требований цементирование глубинных скважин снова и снова создавало принципиально новые технологии, которые в обычной области строительства нашли применение намного позже. Примерами являются применение простых эфиров целлюлозы в качестве средства для задержки воды (в 1958 году впервые была использована гидроксиэтиловая целлюлоза) и использование НСФК-смол в качестве дисперсионного средства (с 1959 года стандартная добавка). Только в 2001 году во всём мире было зацементировано 88 000 глубинных скважин с общим зацементированным штреком 120 000 км.

Строительство скважины содержит следующие этапы: (1) Бетонирование платформы для закрепления бурильной установки: (2) создание скважины с вращающимся буровым долотом и удаления буровой мелочи из скважины с помощью циркулирующего обмыва бура; (3) облицовка буровой скважины цементом для изоляции соседних зон горных пород; рисунок 3.12 показывает схему цементирования глубинных скважин. Обширный обзор технологии и методики для нефтедобывающей техники даёт “Economides et al” [247].

Рисунок 3.12-Схема цементирования глубинных скважин

В каждой скважине для подачи нефти или газа устанавливаются и цементируются обсадные трубы (так называемые casing). Это служит для изолирования зон, т.е. прилегающие слои горных пород с различным давлением, которые в необлицованной буровой скважине будут находиться в соединении друг над другом, разделяются друг от друга цементным слоем и обсадными трубами, не пропуская газ и жидкость.

Буровая скважина цементируется с интервалами, т.е. вначале пробуривают до определённой глубины (например, 1000 м) и затем выполняют облицовку цементом и обсадными трубами. Такие особенности месторождения как давление в порах, состав горных пород и т.д. определяют метод при цементировании буровой скважины.Рисунок 3.13 показывает схему обсадных труб буровой скважины для добычи нефти. Подробное описание технологии цементирования глубинных скважин, оснащения, методов и продуктов даётся Нельсоном [248] и Смитом [249]. Хорошее обобщение практического опыта дано Смитом [250].

Рисунок 3.13-Схемаобсадных труб для цементирования буровых скважин при бурении нефтяной скважины

Как и промывочная жидкость, тампонажный раствор с помощью избыточного давления прокачивается в скважину пористых горных пород. Поэтому контроль расхода воды в глубинном цементировании точно также важен, как и в штукатурных работах и плиточной облицовке. Единственное различие заключается в том, что в цементных шламах при глубинном бурении потери воды должны контролироваться также и при повышенных температурах и в присутствии солей. Часто используемыми средствами для задержки воды являются гидрокси-этил-целлюлоза, карбоксиметил-целлюлоза, полиэтилен-имины, а также синтетические сополимеры на базе AMPS^®/N,N-диметил-акриламида. Более дорогие синтетические полимеры используются большей частью в высокотемпературном диапазоне >150 ⁰С.

Обзор (Заключение)

Примеры в главе 3 («Системы строительных материалов») хотят показать читателю то, что современное строительство при помощи строительной химии может стать более рациональным, экономичным, качественно лучшим и может заметно облегчить также работу строителей. За эти преимущества можно поблагодарить создание высокоразвитой и важной в плане товарооборота строительно-химической промышленности в Западной Европе, Северной Америке и Японии. В настоящее время строительно-химическая технология стремительно распространяется в Восточной Европе и Китае. Это относится особенно к таким областям, как сухие строительные смеси, растворы и высокопрочный бетон. Промышленные методы изготовления в этих странах заменяют традиционные, отличающиеся высокой долей ручного труда методы строительства.

Строительно-химические продукты и системы разрабатывались в прошлом на базе эмпирических исследований. Вследствие этого возникали определённые границы. Промышленность хорошо это поняла и всё больше обращается к фундаментальным научным исследованиям - либо в собственных исследовательских центрах, либо при помощи кооперации с вузами [251]. Понимание основных действующих механизмов должно помочь в достижении улучшенных строительных материалов и улучшенных свойств этих материалов. Двумя особенно успешными примерами значимости фундаментальных исследований являются внедрение ESEM-технологии для изучения гидратации цемента и изучение действующих механизмов у пластификаторов, о чём, между тем, появилось уже несколько сотен публикаций.

Несмотря на достигнутый высокий уровень, строительно-химическая промышленность продолжает свои, нацеленные на будущее, разработки. Сегодня можно отметить следующие основные пункты и тенденции в технологии:

· Более надёжные системы строительных материалов и добавок

Снижающаяся квалификация строителей на местах, с одной стороны, и, становящееся всё большим расхождение в вяжущих материалах (например, из-за перехода от региональных к глобальным рынкам), с другой стороны, требуют добавок с гораздо лучшей совместимостью и надёжностью в практическом применении. Необходимо, чтобы системы строительных материалов с такими добавками и их использование в строительстве могли быть успешно освоены соответствующими специалистами.

· Биополимеры

Усиленное использование биополимеров, изготовленных из растительного сырья во многих странах рассматривается как долгосрочный вклад в строительство. В некоторых областях применения (например, цементирование глубинных нефтяных и газовых скважин при морском бурении) требуются и уже частично предлагаются промышленностью биологически разлагаемые добавки [252].

· Эмиссии и климатические условия внутри помещений

Прежний опыт с защитными средствами для древесных материалов побудил как промышленность, так и общественность, придавать этой теме большое значение. Современные разработки осуществляются сегодня повсеместно с учётом здравоохранительных и внутрижилищных климатических аспектов. Примером собственной инициативы промышленности в этой области является введённая в 1997 году Обществом «Эмиссионно контролируемые укладочные материалы» EMICODE-система [253]. Слабоэмиссионные клеящие вещества, которые содержатся в паркетных, ковровых и минеральных шпаклёвочных массах могут быть отмечены как малотоксичные с помощью официально выполняемых замеров.

· Новые свойства материалов, полученных с помощью нано-технологий

Промышленность возлагает большие надежды на нано-технологии. В июне 2003г. в Пасли под Глазго впервые состоялся организованный «Шотландским Центром нано-технологий в конструкционных материалах» форум на тему «Нано-технологии в конструкциях» [254]. Ожидается квантовый прыжок в свойства материалов в системах минеральных строительных материалов благодаря наномодифицированным структурам, например, с помощью полимерных добавок, влияющих на рост кристаллов. Другие разработки нацелены на наноструктурированные и, по мере надобности, гидрофобизированные поверхности с эффектом самоочищения (так называемый Лотус-эффект). Примерами актуальных, уже представленных на рынке технологий являются самоочищающаяся черепица [255], фасадная краска [256] и облицовочная плитка. Для двух, названных последними применений интенсивно исследуются также использование рутила (TiO₂) для протокаталитической оксидации органических пыли и грязи, плесени и бактерий [257, 258].

Технологическое развитие строительно-химических систем ещё далеко от своего достижения наивысшего пункта. Сведение воедино технологий вяжущих материалов, добавок строительных материалов, с одной стороны, и, с другой стороны, характерный для строительной химии междисциплинарный подход, который сводит вместе химию, минералогию, физику, технологию и др. области, позволяет ожидать новых важнейших инноваций.

ЛИТЕРАТУРА

Основная:

Дополнительная:

1. Богданов В.С. Механическое оборудование предприятий промышленности строительных материалов: учебник. – Белгород, 1998. – 180 с.

2. Богданов В.С., Шарапов Р.Р., Фадин Ю.М. и др. Основы расчета машин и оборудования предприятий строительных материалов и изделий: учебник. – Старый Оскол: ТНТ, 2013. – 680 с.

3. Карибаев К.К. Поверхностно-активные вещества в производстве вяжущих материалов: монография. – Алма-Ата: Наука, 1980. – 336 с.

4. Классен В.К. Технология и оптимизация производства цемента: краткий курс лекций: учеб. пособие. – Белгород: Изд-во БГТУ, 2012. – 308 с.

5. Классен В.К., Борисов И.Н., Мануйлов В.Е. Техногенные материалы в производстве цемента: монография. – Белгород: Изд-во БГТУ, 2008. – 126 с.

6. Кузнецова Т.В., Кудряшев И.В., Тимашев В.В. Физическая химия вяжущих материалов: учебное пособие. – М.: Высшая школа, 1989. –384с.

7. Лисиенко В.Г., Щелоков Я.М., Ладыгичев М.Г. Вращающиеся печи: теплотехника, управление, экология. Справочное издание: В 2-х книгах. Книга 1 / Под ред. В.Г.Лисиенко. - М.: – 688 с. Книга 2 / Под ред. В.Г.Лисиенко. - М.: Теплотехник, 2004. – 592 с.

8. Лугинина И.Г. Химия и химическая технология неорганических вяжущих материалов: учебное пособие. – Белгород: Изд-во БГТУ им. Г.Шухова, 2004.– Ч. 1. – 240 с. – Ч. 2. – 199 с.

9. Сидоров В.И., Агасян Э.П., Никифорова Т.П. и др. Химия в строительстве: учебник для вузов. – М.: АСВ, 2007. – 312 с.

10. Сулименко Л.М. Технология минеральных вяжущих материалов и изделий на их основе: учебник. Изд. 3-е перераб. и допол. – М.: Высшая школа, 2000. – 304 с.

11. Таймасов Б.Т. Технология производства портландцемента: учебное пособие. – Алматы: Эверо, 2015. –272 с.

12. Таймасов Б.Т. Химическая технология вяжущих материалов 1 том: учебник. - Алматы: Эверо, 2015. –332 с. 2 том: - Алматы: Эверо, 2015. -152 с.

13. Таймасов Б.Т., Альжанова А.Ж. Тұтастырғыш заттардың арнайы технологиясы: оқулық. - Алматы: Эверо, 2015. –328 б.

14. Тейлор Х. Химия цемента. Пер. с англ.- М.: Мир, 1996. – 560 с.

15. Худякова Т.М. Специальная технология вяжущих материалов. Учеб. пособие. – Шымкент: Изд-во ЮКГУ. 2010. – 160с.

Йоганн Планк, Бахитжан Таймасов

Дитмар Штефан, Кристиан Хирш, Бибол Жакипбаев