Разработка технологий герметизации скважинного оборудования при комплексном термобарическом и севодородном воздействии

1. Существующие материалы  и технологии имеют узко направленное   назначение -  изоляция  зон поглощения в проницаемый пласт, крепление призабойной зоны, создание антикоррозионных покрытий и герметизация  обсадной колонны.

2. Составы использовались на нефтяных скважинах  при   отсутствии в продукции H₂S, CO₂ и, как правило, в условиях невысоких температур и давлений.

3. Малая эффективность   применяемых высокостойких  эластомерных  соединений  для герметизации уплотнений устьевого оборудования из-за их  слабых проникающих свойств, повышенных требований к чистоте герметизируемой поверхности и условиям полимеризации.

4. Наиболее перспективными, применительно к условиям АГКМ, являются  технологии:

• герметизации затрубного пространства с использованием гидрофобных эмульсий (надпакерные жидкости);
• с применением эластомерных составов.  

5. Для обеспечения необходимых  условий эксплуатации скважины  требуется разработка более эффективных  составов, позволяющих качественно восстановить герметичность  уплотнительных элементов устьевого оборудования и блокировать источники негерметичности затрубного пространства.

В результате определены требования, которым должны соответствовать герметизирующие составы и технологии, применительно к условиям Астраханского ГКМ:

- высокие проникающие   и адгезионные свойства;

- устойчивость к сероводородной  и углекислотной агрессии;

- способность полимеризоваться  в температурном интервале 80-100⁰С;

- возможность регулирования  реологических свойств в широком  диапазоне;

- способность полимеризоваться в присутствии пластового флюида;

- сохранение изоляционных  качеств герметика после полимеризации в течение длительного времени;

- технология приготовления  и проведения операции по закачке  состава должна быть по возможности  проста и экономически целесообразна.

  Вторая глава посвящена лабораторным и стендовым  исследованиям герметизирующих свойств эластомерных композиций. Основной задачей  комплекса исследований являлась максимальная приближенность условий экспериментов к сложным горно-геологическим условиям Астраханского ГКМ.

Испытания проводились  по разработанной автором методике (рис.1), позволяющей оценить герметизирующие свойства разрабатываемых составов и получить достаточно полную информацию об их свойствах с учетом суммарного влияния дестабилизирующих факторов.  Методика сочетает в себе стандартные методы определения физико-механических параметров эластомеров - условной прочности (f), остаточной деформации (e_р), твердости Т_в, пластичности (Р),  испытания на установке высокого давления - исследование процесса набухания эластомеров (К_наб) под давлением, а также метод определения герметизирующей способности составов с помощью пластомера,  на котором определялись  предельное  напряжение сдвига (t_р) и относительная деформация (g_сд).

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1 Блок - схема методика оценки герметизирующей способности    

                эластомерных составов  и  оптимизации  их рецептур

 

 Герметизирующие свойства  эластомерных композиций  оценивались  по следующим критериям:

- стойкость к агрессивному  влиянию кислых газов (изменение показателей - Df; De_р, Dq, D Тв);

- адгезия к металлу (t_р) ;

- способность к полимеризации  в смеси с растворителем при  80-100 ⁰С  ( t,Т) ;

-  стойкость к набуханию в  углеводородной среде (К_наб).

В результате   испытаний  эластомерных композиций на устойчивость к влиянию кислых газов содержащихся в пластовом флюиде Астраханского ГКМ,  установлено,  что основные изменения физико-механических параметров испытуемых образцов происходят в течение  24 часового  контакта с агрессивной средой, состоящей из 25,9% H₂S, 23,9% СО₂, при этом имеет место изменение физико-механических параметров в среднем на 70 % от общего  изменения рис. 2.  Дальнейшее воздействие оказывает незначительное влияние. Значения физико-механических параметров эластомеров, находившихся в агрессивной среде 30 и 90 сут,  по отношению к з начениям образцов суточной выдержки  изменяются в среднем 13% и 17 % соответственно.

 

                        К-1 -  К-3  – бутадиеннитрильный  каучук

                        К-7  -  смесь натрийбутадиенового  и натурального каучуков

              К-14 – К-17 – силиконовые каучуки

 

Рис. 2  Влияние  пластового флюида на  изменение  физико-механических 

            свойств эластомерных композиций 

 

Одним из основных условий выбора базовой эластомерной композиции (БЭК)  являлся подбор соотношения различных типов каучука, имеющих коэффициент объёмного набухания в пределах 15-20 %. При этом исходили из того, что данный процент набухания улучшает герметизирующие свойства состава, компенсируя возрастание  накопленной остаточной деформации сжатия, что часто применяется в резино-технической практике для увеличения ресурса неподвижных уплотнительных элементов.

В связи с этим, в ходе проведения исследований определялись значения коэффициента набухания эластомерных композиций  при нормальных условиях и избыточном давлении в среде раствора ингибитора коррозии, которым заполнено затрубное пространство эксплуатационных скважин (10 %-ый раствор ингибитора Додиген в дизельном топливе). В результате исследований установлено, что в зависимости от типа каучука степень влияния  избыточного давления изменяется и  прослеживается  тенденция к значительному уменьшению данного  показателя   (рис. 3).  По результатам исследований сделан вывод о наибольшей перспективности композиций на основе бутадиенстирольного каучука  и смеси натурального и натрийбутадиенового каучуков (НК +СКБ).   

 

 

 

ИК – изопреновый каучук, НК – натуральный каучук, БНК –  бутадиеннитрильный каучук, СКС – стирольный каучук, СР – хлоропреновый каучук, БСК – бутадиенстирольный каучук.

Рис. 3    Влияние избыточного  давления на  набухание эластомерных 

                  композиций     

 

Исследование процесса полимеризации  и определение  адгезионных  свойств  составов  "эластомер – растворитель" проводились на пластомере. Сущность испытаний по определению адгезионных свойств  заключалась в измерении давления, при котором происходит сдвиг или разрушение сплошности цилиндрического  образца продукта полимеризации. Вместе с этим определялась степень полимеризации состава по изменению стрелы прогиба полимеризованного образца при определенном перепаде давления через заданные промежутки времени.

При выборе базовой  эластомерной композиции, которую предполагается использовать в качестве основы для разрабатываемых составов, применен статистический критериальный метод "анализа иерархий". В его основе  лежит способ вычисления нормированных сумм, получаемых при попарном сравнении альтернативных решений по определенным критериям (с учетом значимости критерия). "Итоговое решение" – в нашем случае, выбор наиболее перспективной эластомерной композиции,  принимали при помощи способа мультиплекативной сверстки.

При  решении  поставленной задачи за "альтернативы" принимались исследуемые эластомерные композиции. Важность критериев оценки герметизирующей способности оценивалась методом экспертных оценок. Методом строчных сумм попарных сравнений важности критериев получали их нормированные весовые значения (W_j) (табл. 1).

 

Таблица 1

Весовые значения критериев оценки герметизирующей  способности

 

Наименование  критерия	Нормированный  вес критерия
Стойкость к  набуханию (K1)	W1	0,438
Адгезия к  металлу (K2)	W2	0,219
Стойкость к  воздействию пластового  флюида (K3)	W3	0,146
Время полимеризации (K4)	W4	0,109
Растворимость в  углеводородных жидкостях (K5)	W5	0,088

 

Итоговое значение функции  полезности для каждой альтернативы  определялось методом мультиплекативной сверстки как нормированное взвешенное произведение оценок альтернатив по формуле:

                                   ,                                             (1)

где     x_ij – оценка альтернативы по критерию k_j.;

          W_j – весовое значения критерия.

Результаты проведенных  расчетов    показали, что наибольшее значение функции полезности соответствует  эластомерной композиции  состоящей из смеси натрий-бутадиенового и натурального  каучуков в соотношении 1:2,5 (S=0,093). Данное заключение  полностью подтверждается  физико-химическими свойствами  каучуков, входящих в состав композиции. Натуральный каучук содержит  примеси белков, продуктов их распада, амины, которые ускоряют процесс полимеризации. Наряду с этим, НК содержит большее число двойных связей, которые определяют возможность полимеризации, чем больше их число, тем выше скорость полимеризации. Натрий-бутадиеновый каучук характеризуется высоким сопротивлением  тепловому старению и  термоокислительной стойкостью.

В третьей  главе  описывается разработка рецептуры эластомерной композиции для  герметизации  уплотнений  устьевого оборудования.

Одно из основных требований  к разрабатываемому герметизирующему составу – это высокие проникающие свойства, т.е. состав должен обладать достаточной пластичностью для проникновения в узкие технологические зазоры  негерметичного уплотнения.  В связи с тем, что оценить размеры и конфигурацию этих зазоров практически невозможно, то при исследованиях  ставилась задача  разработки композиции с достаточно широким диапазоном пластичности, который можно изменять, варьируя соотношением компонентов (пластификатора, эластомера, наполнителей).

Для повышения эффективности  регулирования пластичности эластомерной композиции были проведены исследования по выбору наиболее эффективных пластификаторов.  На основании  анализа литературных источников  и лабораторных исследований в качестве пластификатора  выбрана  композиция, состоящая из сложных эфиров с кальциевыми солями алкиларилсульфокислот  в соотношении 1:30.

Сложные эфиры общей  формулы :

С_nН_2n-mСООСН₂СН₂N(СН₂СН₂ОН)₂,

где n = 15-17; m = 1,2,3,5  являются   углеводородорастворимыми поверхностно-активными веществами (ПАВ). Они могут, например, быть образованы при взаимодействии талового масла и триэтаноламина, а получаемое при этом поверхностно-активное вещество известно под названием “Эмультал” и выпускаются в РФ по ТУ 6-14-1036-74.

Кальциевые соли алкиларилсульфокислот  общей формулы (С_nН_2n+1С₆Н₄SО₃)₂Са могут использоваться в качестве компонентов моющих составов для снижения поверхностного натяжения. Они присутствуют в процессе производства сульфонатных и силицилатных присадок к моторным маслам  при алкилировании бензола продуктами полимеризации пропанпропиленовой фракции газов крекинг- и реформинг-  процессов.

Результаты  опытов по определению влияния  содержания  ПАВ на пластичность эластомерной композиции  показывают достаточно высокую  пластифицирующую способность (табл.2).  Добавка  20% мас. ПАВ  приводит к увеличению пластичности  в 3,1 раза по сравнению с пластичность базовой композиции.

В качестве  наполнителя  для повышения  устойчивости эластомерной композиции к воздействию кислых газов использовалась смесь карбоната  и гидроокиси кальция коллоидного размера (менее 1 мкм).  Такие размеры достигаются химическими реакциями  или размолом на  коллоидной мельнице.

Твердый наполнитель  за счет своей химической природы, высокой  степени дисперсности и удельной поверхности хорошо связывает сероводород, переводя его в неактивную форму. При контакте с пластовым флюидом гидроксид кальция Сa(OH)₂,  который входит в состав твердой фазы, вступая в химическую реакцию с сероводородом, образуют  сульфид кальция CaS, гидросульфид кальция Ca(HS)₂.

 

Таблица 2  

Влияние  содержания  ПАВ на пластичность эластомерной композиции

Состав, %
Базовая эластомерная композиция		ПАВ		Пластичность, ед.
100	0		0,28
95	5		0,39
92	8		0,44
90	10		0,56
85	15		0,72
80	20		0,87

 

В качестве основного  критерия, определяющего герметизирующие  свойства разрабатываемого состава, выбрана  величина накопленной относительной остаточной деформации, которая характеризуется безразмерной величиной критического коэффициента старения (y_кр), значение которого для условий старения эластомерных уплотнений принимается равной 0,8. При расчете коэффициента старения использовалась формула, предложенная Бокшицким М.Н.:

                                                                                        ( 2 )

где   Dh₀ - относительная остаточная деформация до воздействия рабочей среды, %;

Dh_t - относительная остаточная деформация после воздействия рабочей среды, %.