غلبه بر چالش ته نشینی در 1.0-1.6 g/cm³ Ultra-سمانکاری با چگالی کم: مکانیسم و ​​کاربرد CG214 Anti ته نشینی افزودنی از دست دادن سیال

1. خلاصه اجرایی و پیشینه صنعت

در ساخت چاه‌های نفت و گاز مدرن، کاوش در مخازن تخلیه‌شده، سازندهای آب‌های عمیق، مناطق کم فشار-و جاروهای متان با بستر زغال‌سنگ چالش ساختاری ثابتی را ایجاد می‌کند: سازندهای زمین‌شناسی در این مناطق دارای شیب شکست بسیار کم هستند. دوغاب سیمان کلاس G استاندارد، که معمولاً دارای چگالی بین 1.88 تا 1.95 g/cm³ هستند، فشار هیدرواستاتیک بالایی را در طول جابجایی اعمال می کنند. این فشار به راحتی از آستانه مکانیکی سنگ‌های شکننده فراتر می‌رود و باعث خرابی سازند فاجعه‌بار، تلفات شدید سیال حفاری و کیفیت ضعیف سیمان‌کاری می‌شود.

برای از بین بردن این خطرات، اپراتورهای سیمان به شدت به دوغاب‌های سیمانی سبک وزن و بسیار کم1.0 g/cm³ تا 1.6 g/cm³. با این حال، کاهش چگالی دوغاب، ناپایداری فیزیکی شدید را ایجاد می کند. با کاهش چگالی، نسبت آب به سیمان به‌طور چشمگیری افزایش می‌یابد، یا حجم زیادی از مواد افزودنی با چگالی کم (مانند سنوسفرها، میکروکره‌های شیشه‌ای توخالی، و پرلیت منبسط شده) معرفی می‌شوند. این یک اختلاف فاز شدید ایجاد می کند که منجر به رسوب سریع ذرات، تشکیل سیال آزاد گسترده و کانال های ساختاری در پشت پوشش می شود.

برای حل این پارادوکس پیچیده مهندسی،Kelioil Engineering Material and Technology Co., Ltd.را مهندسی کرده استافزودنی ضد اتلاف سیالات CG214{1}}. این کوپلیمر با کارایی بالا نه تنها فیلتراسیون سیال را مطابق با استانداردهای سختگیرانه API تنظیم می کند، بلکه یک شبکه ماکرومولکولی الاستیک ایجاد می کند که رسوب جامدات را به طور کامل حذف می کند و یک غلاف سیمانی پخته شده کاملاً همگن را از بالا به پایین رشته پوشش چاه ارائه می دهد.

2. درک فیزیک و دینامیک ته نشینی سیستم های سبک وزن

مکانیسم فیزیکی اصلی پشت رسوب جامدات در دوغاب سیمان را می توان از طریق نسخه اصلاح شده قانون استوکس به صورت ریاضی تجزیه و تحلیل کرد. عبارت کلاسیک برای سرعت ته نشینی نهایی (v) یک ذره کروی صلب در یک سیال چسبناک به صورت زیر تعریف می شود:

کجا:

• rشعاع معادل ذره جامد است.
• ρ_pچگالی فاز جامد است (به عنوان مثال، ذرات سیمان استاندارد در ~ 3.15 گرم در سانتی متر مکعب یا میکروکره های توخالی سرامیکی در 0.4-0.8 g / cm³).
• ρ_fچگالی فاز تعلیق مایع پیوسته (آب و مواد شیمیایی محلول در ~1.0 گرم بر سانتی متر مکعب) است.
• gثابت شتاب گرانشی است.
• μویسکوزیته دینامیکی / ظاهری سیال است.

در دوغاب های سیمانی با چگالی فوق العاده پایین، مقادیر فیزیکی این متغیرها به شدت از سیستم های معمولی منحرف می شود:

اول، افت شدید ویسکوزیته:هنگام کاهش چگالی به 1.1-1.3 گرم بر سانتی‌متر مربع بدون افزودنی‌های-با عملکرد بالا، نسبت آب بیش از حد-به{4}}به جامد باعث کاهش شدید ویسکوزیته ظاهری دوغاب می‌شود.μ). طبق قانون استوکس، به عنوان ویسکوزیته (μ) به مقدار کم آب خالص، سرعت ته نشینی (v) ذرات سنگین سیمان به صورت تصاعدی بالا می روند و باعث جدا شدن سریع می شوند.

دوم، پدیده جدایی دو طرفه:دوغاب سنتی حاوی فازهای جامد سنگین تر از آب است (ρ_p> ρ_f) به سمت پایین حرکت می کند. با این حال، هنگامی که میکروسفرهای فوق سبک برای دستیابی به چگالی کمتر از 1.2 گرم بر سانتی‌متر مربع اضافه می‌شوند، چگالی آنها بسیار کمتر از فاز سیال است.ρ_p< ρ_f). این اصطلاح را معکوس می کند(ρ_p - ρ_f)، باعث می شود میکروسفرها به سرعت به سمت بالا شناور شوند در حالی که ماتریس سیمان سنگین به سمت پایین ته نشین می شود. این جداسازی دوطرفه یکنواختی فضایی غلاف سیمانی چاه را از بین می‌برد و کانال‌های سیال با تخلخل بالا در بالا و فازهای شکننده و فوق متراکم در پایین باقی می‌ماند.

شکل 1: لوله ته نشینی NCJQ-تجهیزات ضروری آزمایشگاهی مورد استفاده برای محاسبه گرادیان رسوب-بالا به-پایین تحت عمل آوری{4}در دمای بالا.

3. ساختار مولکولی و مکانیسم عمل چندگانه CG214

افزودنی ضد اتلاف سیالات CG214{1}}از طریق-کوپلیمریزاسیون رادیکال آزاد سنتز می‌شود و یک پلیمر پیچیده محلول در آب- با اجزای ساختاری مناسب تشکیل می‌دهد. برخلاف اترهای سلولزی خطی استاندارد یا پلیمرهای ساده از دست دادن مایع مصنوعی که فقط سیال را با تورم غلیظ می کنند، معماری ماکرومولکولی CG214 دارای سه گروه عملکردی بسیار خاص است:

A. گروه های لنگر (مونومرهای سولفونه شده - AMPS):
این گروه ها مقاومت بالایی در برابر دما و شوری بالا از خود نشان می دهند. سرهای سولفونات بسیار قطبی از طریق پیوند الکترواستاتیک و مختصات به طور محکم بر روی سطوح مواد معدنی سیمانی آبرسان و میکروسفرهای سبک جذب می شوند. این زنجیره‌های پلیمری را به‌طور دائم به فازهای جامد متصل می‌کند و تضمین می‌کند که تحت برش حرارتی بالا از هم جدا نمی‌شوند.

ب. زنجیره های شبکه انجمنی (مونومرهای آکریل آمید - AM):
بخش‌های آکریل آمید زنجیره‌ای غیریونی-در اعماق فاز آب بینابینی گسترش می‌یابند. پس از هیدراته شدن، این شاخه ها با مولکول های پلیمری مجاور برهم کنش می کنند و ایجاد یکشبکه میکرو الاستیک سه بعدی-(ساختار ژل ویسکوالاستیک). این شبکه مانند یک شبکه نامرئی عمل می کند، مولکول های آزاد آب را به دام می اندازد و هم میکروکره های سبک وزن و هم دانه های سنگین سیمان را معلق می کند. شبکه تحت برش (پمپ زدن) تسلیم می شود، اما در زمان استاتیک (سخت شدن) بلافاصله اصلاح می شود و تمام فازها در جای خود قفل می شوند.

ج. آب هیدروفیل-حلقه های نگهدارنده (مشتقات پیرولیدون):
این گروه‌های عاملی حلقوی، پوسته‌های هیدراتاسیون متراکم را از طریق پیوند هیدروژنی شدید با مولکول‌های آب اطراف تشکیل می‌دهند. از آنجایی که آب سعی می کند تحت فشارهای دیفرانسیل به سازندهای نفوذپذیر فرار کند، این لایه های هیدراتاسیون{1}}با میل ترکیبی بالا سیال را حفظ می کنند و به دوغاب کمک می کنند کیک فیلتر پویا،{2}}نفوذپذیری کم و فوق-در مقابل دیواره سنگ ایجاد کند. این کاهش کلی فیلتراسیون API را به سطوح بسیار پایین- محدود می‌کند.

4. ویژگی های کلیدی عملکرد CG214 در پاکت های 1.0-1.6 گرم بر سانتی متر مکعب

وقتی CG214 در سیستم‌های دوغاب سیمان با چگالی بسیار پایین فرموله می‌شود، چندین مزیت عملیاتی عمده را به همراه دارد:

• سیال بدون صفر (100% همگنی):در پروفیل‌های شیبدار، افقی یا عمودی، دوغاب‌های با CG214 به طور مداوم 0.0٪ جداسازی آب آزاد را نشان می‌دهند و از کانال‌زدایی آب در امتداد سمت بالا سوراخ‌های منحرف شده جلوگیری می‌کنند.
• شبه پلاستیسیته و برشی فوق العاده-نازک شدن:تحت شرایط اختلاط و پمپاژ با سرعت بالا، شبکه های فضایی موقت CG214 به راحتی تراز می شوند و نازک می شوند- و ویسکوزیته کلی دوغاب را کاهش می دهند. این فشار اصطکاک را کاهش می دهد و سازندهای ظریف را از شکستگی های ناشی از چگالی معادل گردش خون بالا (ECD) محافظت می کند.
• سیالیت دوغاب عالی:دوغاب قابلیت پمپاژ فوق‌العاده و مشخصات رئولوژی مسطح را بدون ژل شدن یا مقادیر بازده بالا در طول جریان دینامیکی حفظ می‌کند.
• مقاومت حرارتی گسترده:از دمای محیط سطحی تا 120 درجه به طور قابل اعتمادی عمل می کند و در جایی که بیوپلیمرهای بیولوژیکی (مانند صمغ welan یا صمغ زانتان) تجزیه می شوند، از نظر شیمیایی پایدار می ماند.

5. تست آزمایشگاهی و تایید تجربی

برای نشان دادن عملکرد CG214 در شرایط پایین چاله شبیه سازی شده، یک مطالعه تجربی جامع در داخل یک آزمایشگاه سیمان کاری حرفه ای انجام شد. دوغاب ها با استفاده از برنامه اختلاط برشی بالا مطابق با تمرین توصیه شده API 10B-2 تهیه شدند.

شکل 2: میکسر سرعت ثابت NHJQ-برای تکرار الگوهای برشی میدان برای تهیه دوغاب‌های همگن با چگالی کم- حیاتی است.

اجزای فرمولاسیون دوغاب:

• سیمان پرتلند کلاس G (100%)
• میکروکره های سیلیکات توخالی (35٪ BWOC برای رسیدن به تراکم 1.25 گرم در سانتی متر مکعب)
• پخش کننده (0.5٪ BWOC)
• افزودنی ضد اتلاف سیالات ضد ته نشینی CG214 (1.5% BWOC برای فرمول 2)
• کل آب مخلوط (تنظیم شده برای چگالی هدف)

ماتریس ارزیابی عملکرد مقایسه ای:

بحث در مورد نتایج:دوغاب سیمان کنترل مسائل ته نشینی گسترده ای را در طول پخت استاتیک نشان داد. به دلیل جدا شدن با تراکم بالا، قسمت بالای قالب خشک شده دارای نمایه چگالی بسیار نازک 1.08 گرم بر سانتی‌متر مربع بود، در حالی که پایین آن به 1.36 گرم بر سانتی‌متر مربع رسید. این واریانس بزرگ (Δρ= 0.28 گرم در سانتی‌متر³) می‌تواند منجر به خرابی پشتیبانی بدنه شود. در مقابل، دوغاب دارای 1.5% CG214 همگنی فوق‌العاده را حفظ کرد و تغییرات چگالی را زیر 0.01 گرم بر سانتی‌متر مکعب در کل ستون نمونه حفظ کرد.

شکل 3: NJSJ HTHP Fluid Loss Cell-یک ابزار قابل اعتماد طراحی شده برای اندازه گیری نرخ فیلتراسیون با فشار بالا-درجه حرارت بالا- (HTHP) دوغاب های پایدار شده.

6. دستورالعمل های اختلاط میدانی و بهترین روش های مهندسی

برای اجرای موفقیت آمیز CG214 در عملیات سیمان کاری میدانی-در مقیاس فوق العاده-با چگالی کم، مهندسان سیمان باید دستورالعمل های میدانی زیر را رعایت کنند:

الف. روشهای اختلاط و اختلاط

CG214 سازگاری بالایی با تکنیک‌های اختلاط میدان نفتی نشان می‌دهد و پروتکل‌های اختلاط خشک و اختلاط مرطوب را ممکن می‌سازد:

• ترکیب خشک (به شدت توصیه می شود):قبل از حمل و نقل، CG214 را کاملاً با پودر سیمان، گسترش دهنده های سبک وزن، و میکروسفرها مخلوط کنید. برای حفظ یکپارچگی ساختاری شیشه های توخالی یا میکروکره های سرامیکی از روش های-خشک برشی کم- استفاده کنید.
• اختلاط مرطوب (اختلاط دسته ای تانک):CG214 را به آرامی به مخزن آب اضافه کنید، سرعت هم زدن را بالا نگه دارید تا از انحلال سریع و بدون توده{1}} اطمینان حاصل کنید. قبل از افزودن اجزای سیمان خشک جامد، اجازه دهید مایع به طور کامل هیدراته شود.

شکل 4: دستگاه تست سیال بدون زاویه 45 درجه NYLQ-برای اطمینان از جداسازی صفر آب در شرایط شبیه سازی شده بسیار-چاه نفت استفاده می‌شود.

ب. تهویه با اسپیسرهای سازگار

برای به حداکثر رساندن جداسازی ناحیه ای، از آلودگی گلی دوغاب با چگالی کم- اجتناب کنید. توصیه می کنیم دوغاب سیمان را با پیش{2}}فلاش ها و اسپیسرهای سازگار مانند Kelioil's ترکیب کنید.اسپیسرهای جداسازی سری CSوشستشوهای شیمیایی سری CW. این به حذف کیک گل حفاری از پوشش و دیواره‌های سازند کمک می‌کند و یک سیمان-آزاد کانال-به{3}}سنگ محکم و محکم ایجاد می‌کند.

ج. کنترل کیفیت آزمایشگاه

قبل از اختلاط دسته ای، همیشه منبع آب مزرعه و مواد خشک را با استفاده از ابزار دقیق تشخیصی پیشرفته-مانند کانسومترهای{1} با دقت بالا تولید شده توسطTianjin Nithons Technology Co., Ltd.-برای تأیید منحنی‌های زمان ضخیم شدن، پارامترهای رئولوژیکی و اهداف آب بدون{1} صفر.

7. نتیجه گیری

غلبه بر چالش ته نشینی در عملیات سیمان کاری فوق العاده کم چگالی 1.0-1.6 g/cm³ برای اطمینان از جداسازی منطقه ای درازمدت و یکپارچگی ساختاری چاه بسیار مهم است. کلیویلافزودنی ضد اتلاف سیالات CG214{1}}این مسائل چالش برانگیز را با موفقیت حل می کند. CG214 با ترکیب کنترل تلفات سیال با کارایی بالا با شبکه ماکرومولکولی فضایی قوی، CG214 از جداسازی فازها جلوگیری می‌کند و از چگالی دوغاب یکنواخت و غلاف‌های سیمانی با استحکام-فشاری{4} بالا جلوگیری می‌کند. برای اپراتورهای حفاری مخازن ضعیف،-کم، و تخلیه شده، استفاده از CG214 عملکرد عالی دوغاب، خطرات سیال آزاد صفر، و ایزوله‌ای مطمئن و طولانی-در محیط‌های پرچالش را ارائه می‌دهد.