Разработка технологий герметизации скважинного оборудования при комплексном термобарическом и севодородном воздействии

Основные результаты  исследований  представлены в табл.3.

Уравнение регрессии  для  выходного параметра  относительной  остаточной деформации   (Dh_0, %) определяется следующим образом:

Dh₀ = 22,003-0,067x₁ - 0,876x₂ - 0,002x₁² + 0,019x₁x₂ + 0,041x₂²,

где x₁ - содержание ПАВ, %;

      x₂ - содержание наполнителя, %.

Уравнение регрессии  для  выходного параметра - время  полимеризации (Т, час):

Т = 0,686 + 1,187x₁ - 1,199x₂ - 0,035x₁² + 0,013x₁x₂ + 0,060x₂²

Для решения задачи оптимизации  рецептурного состава герметизирующей композиции в качестве основных критериев отбора  выбраны коэффициент старения и время полимеризации. Статистическая обработка  результатов исследований проводилась при помощи компьютерной программы "Система анализа данных STATISTICA" версия 6.0. 

 

Таблица 3

Изменение физико-механических свойств полимеризованной

 герметизирующей  композиции   после воздействия пластового газа 

 

Состав, % мас.			Пластичность неполимеризованной композиции (Р), ед	Изменение физико – механических параметров после контакта с пластовым газом, %			Коэффициент старения (yкр)	Время полимеризации (Т), час
Эластомер	ПАВ	Наполнитель		Остаточная деформация (Dht)	Условная  прочность,(fр) при растяжении, %	Твердость, Тв
80,0	6,0	14,0	0,54	-0,11	-22,8	-4,0	1,00	2,5
80,0	7,0	13,0	0,6	-1,58	-26,0	-6,0	1,02	3
80,0	8,0	12,0	0,63	-4,62	-25,0	-2,2	1,05	3,5
80,0	9,0	11,0	0,69	-5,56	-28,6	2,5	1,06	4
80,0	10,0	10,0	0,71	-7,96	-29,2	-5,1	1,09	4,5
80,0	11,0	9,0	0,73	-11,90	-31,4	-8,6	1,14	5
80,0	12,0	8,0	0,76	-12,38	-30,7	-15,7	1,14	5,5
80,0	13,0	7,0	0,78	-14,02	-31,6	-21,4	1,16	5,7
80,0	14,0	6,0	0,8	-16,82	-25,3	-27,3	1,20	6

 

 

Эксперименты  показали, что добавление в  базовую эластомерную композицию  ПАВ с наполнителем  повышает устойчивость продукта полимеризации к воздействию пластового флюида (рис. 4). Так, испытуемые рецептуры изменили свою условную прочность в пределах  6 - 31% (базовая на 73%), остаточную деформацию на  0,1 - 18% (базовая - 58%), твердость на 1,25 –6,8% (базовая – 60%).   Данный факт  можно объяснить положительным влиянием  ПАВ на степень полимеризации, т.е. происходящим увеличением количества узлов сетки  эластомера. Основное  положительное влияние ПАВ сказывается уже на стадии приготовления эластомерной композиции. Повышение пластичность эластомера приводит к снижению температуры смешения, и следовательно,  уменьшает опасность преждевременной полимеризации,  облегчает и улучшает диспергирование компонентов вулканизующей группы. Последнее, является чрезвычайно важным, т.к. при неравномерном  распределении  вулканизующих агентов  в продукте полимеризации создаются  локальные перенапряженные узлы сетки, вызывающие разрыв отдельных цепей или поперечных связей, ухудшая тем самым физико-механические свойства эластомера.

Положительное влияние  оказывает и наполнитель, химически  связывающий  H₂S, замедляя тем самым деструкцию эластомерной составляющей под воздействием кислых компонентов пластового газа.

Рис. 4  Сравнительные характеристики  разработанной  и базовой композиций

 

 

В результате обработки полученных результатов определены  граничные  пределы  содержания компонентов (табл. 4), при которых физико-механические параметры герметизирующей композиции   отвечают требованиям, предъявляемым при выполнении работ по герметизации элементов  на устье скважины.

 

Таблица 4

Компонентный состав герметизирующей  композиции

Компоненты	Нижний предел, % мас.	Верхний предел, % мас.
Эластомер с функциональными наполнителями	80	80
ПАВ (смесь сложных  эфиров с кальциевыми солями алкиларилсульфокислот)	6	14
Твердый наполнитель коллоидного размера	14	6

 

 

В четвертой  главе представлены результаты исследований по разработке  эластомерных   составов   для блокировки источников негерметичности затрубного пространства. Исследования проводились в соответствии со следующими требованиями к разрабатываемым составам:

- возможность закачки   состава в затрубное пространство  и его доставки в зону негреметичности   при помощи штатной техники  (насосный агрегат, центробежный насос);

- способность к полимеризации  при температуре 80-90 ⁰С;

- наличие адгезии полимеризованного  состава к  поверхности НКТ и обсадной колонны.

При проведении экспериментальных  исследований использовалась базовая  эластомерная композиция  на основе смеси натурального и натрий-бутадиенового каучуков.

Разработка  рецептур составов осуществлялась  в двух направлениях:

- на основе  гранулированной   неполимеризованной БЭК;

- на основе раствора  БЭК в углеводородном растворителе (дизельное топливо).

В качестве гранулированной  эластомерной композиции использовалась БЭК,  представляющая собой гранулы  диаметром 6-8 мм, толщиной 2 – 3 мм.  Учитывая общие требования к составам для  герметизации затрубного пространства, исследования  проводились в следующих направлениях:

-  модифицирование  поверхности  эластомерных  гранул  с целью замедления процесса   растворения в процессе  их доставки в зону негерметичности;

• определение времени  полимеризации;
• определение адгезионных свойств.

Модификация  поверхности  эластомерных гранул осуществлялась обработкой водными растворами метилцеллюлозы и сульфоната различных концентраций. В результате исследований установлено,  что  оптимальная концентрация  сульфоната  - 5 %,  метилцеллюлозы - 0,35%. При этих концентрациях   наблюдается наименьшая скорость растворения гранул и период начала их слипания  (для сульфоната – 25 мин, метилцеллюлозы – 30 мин). 

Определение адгезионных  свойств и зависимости времени  полимеризации гранулированной  эластомерной  композиции от содержания жидкости растворителя  проводилось на пластомере.

Проведенные исследования показали, что повышение содержания растворителя  увеличивает сроки полимеризации и уменьшает адгезию состава к металлу (рис.5).

Выбор  оптимального соотношения  гранул эластомера  и углеводородного растворителя  осуществляется исходя из применяемой технологии доставки состава в зону негерметичности. Учитывая, что гранулированный эластомерный состав  не прокачивается насосными агрегатами, в промысловых условиях экспериментально подбиралось оптимальное соотношение дизельного топлива и эластомера, позволяющее  доставить состав с помощью  центробежного насоса в линию глушения (далее продавка состава осуществляется насосными агрегатами). Опыты показали, что  минимальное  соотношение  между гранулированной композицией и дизельным топливом, для обеспечения оптимальных  условий доставки состава к источнику негерметичности (наименьшие потери, длительность закачки) составляет  1:3.

Экспериментальные работы по разработке рецептуры  герметизирующего состава  на основе раствора эластомерной композиции в углеводородной жидкости велись в следующих направлениях:

- регулирование скорости  растворения  эластомерной композиции  в углеводородной среде;

- исследование  реологических  параметров;

- корректировка рецептурного  состава  с целью регулирования   времени полимеризации;

 Физико-механические  параметры полимеризованных композиций оценивались  по критериям: предельное  напряжение сдвига, относительная деформация, температура и время полимеризации.

В качестве эластомерной составляющей использовалась гранулированная базовая эластомерная композиция. В процессе исследований измерялась динамическая вязкость растворов эластомерных композиций в дизельном топливе в различных соотношениях   и температурах ( рис.6).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 5  Зависимость  свойств продукта полимеризации  от концентрации   эластомера

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 6  Изменение динамической вязкости от температуры и

                         концентрации эластомера.

 

Исследования показали, что увеличение содержания эластомерной фазы  с 10 до 15% равномерно повышает  вязкость состава – увеличение содержания эластомера на 1% приводит к изменению вязкости в среднем в 1,8 раза. При увеличении содержания эластомерной фазы  с 15 до 17 % скачкообразно  повышается вязкость в 2,3 раза (на 1%), с 17 до 19%  изменение вязкость восстанавливает первоначальное значение в 1,8 раза. 

В результате исследований определено, что с повышением температуры    вязкость составов при всех концентрациях  эластомерной композиции уменьшается. Для составов с 10-15 % содержанием эластомерной составляющей увеличение температуры с 25 до 80 ⁰С уменьшает значение динамической вязкости  в 3-3,5 раза, то для составов с 17-30 % содержанием вязкость уменьшилась в 3,6-3,9 раз.

Величина растекаемости, которая может служить критерием  оценки прокачиваемости состава насосными агрегатами, имеет  удовлетворяющие значения (более 25 см) при концентрациях эластомерной фазы в составе  от  17% и ниже.

Как показали исследования, избыточное содержание дизельного топлива увеличивает сроки полимеризации составов. С увеличением содержания растворителя на 5% время полимеризации возрастает  почти в 2 раза. Значительное влияние оказывает  и температура полимеризации. Как видно из   приведенных данных (рис.7), снижение температуры полимеризации на 5 ⁰С увеличивает время полимеризации на 30-35%.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 7  Влияние температуры на время полимеризации

 

Сокращение сроков и  температуры полимеризации осуществлялось  путем введения в исследуемые составы дополнительного количества ускорителя полимеризации (тиурам) и вулканизующего агента (сера). В результате исследований  установлено оптимальное соотношение этих ингредиентов, с учетом физико-механических параметров  продуктов полимеризации по критериям: время  полимеризации (Т),  предельное  напряжение сдвига (t_д), относительная  деформация (g_сд).

При моделировании процесса создания оптимальной рецептуры герметизирующего состава   получены регрессионные зависимости, приближенно описывающие  влияние компонентного состава  на  свойства продукта полимеризации.

Полимеризация составов и определение  структурно-механических  свойств  продуктов их полимеризации производились при температуре 80 ⁰С.

Предельное напряжение сдвига (t_р) рассчитывали  по формуле:   

                                        ,                                   (3)

где К_одн – коэффициент однородности (определяется по результатам статистической обработки замеренных значений предельного напряжения сдвига);

       t_зам   - предельное напряжение сдвига,  определяемое путем испытания не менее пяти образцов на пластомере.

                              К_одн = 100 - U_d,                                        (4)

        где  U_d  - коэффициент вариации.

      По результатам  статистической обработки результатов  экспериментов   К_одн = 0,82.

Уравнение регрессии  для  выходного параметра предельное напряжение сдвига выглядит следующим образом:

t_р =3,64x₁ + 4,01x₂  + 196,45x₃ - 1,28x₁x₂-235,04x₁x₃-219,08x₂x₃,

где  x₁ – концентрация эластомерной композиции, % мас.;

       x₂ - содержание серы, % мас.;

       x₃  - содержание тиурама, % мас.

Уравнение регрессии  для  параметра относительная  деформация:

g_сд = 0,082x₁+0,216x₂ -12,01x₃ + 0,14x₁x₂ + 15,69x₁x₃ + 13,25x₂x₃

Уравнение регрессии  для  параметра время полимеризации:

        Т=40,05x₁+56,73x₂-8154,57x₃+21,65x₁x₂+10027,26x₁x₃+ 8860,03x₂x₃