Kts23.ru

АЗС оборудование
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Новые добавки для эффективного решения технологических задач при цементировании скважин

Новые добавки для эффективного решения технологических задач при цементировании скважин

Заключительной стадией строительства нефтяных и газовых скважин является крепление затрубного пространства колонны обсадных труб тампонажными растворами с целью создания долговечного, прочного изолированного канала.

The article presents new developments of well cements Group of companies Mirrico.

Технологические ошибки в необратимом процессе формирования цементного камня в заколонном пространстве могут привести к некачественному разобщению пластов, значительным экономическим затратам по ликвидации брака и в конечном счете свести к нулю ожидаемый эффект качества цементирования.

  • физико-химические свойства буровых и тампонажных растворов, их совместимость;
  • режим движения промывочных жидкостей в заколонном пространстве и время контактирования со стенкой скважины;
  • центрирование колонны, режим движения тампонажных растворов;
  • применение автоматизированных агрегатов, дополнительных устройств и т. д.

В настоящее время, в период увеличения доли разрабатываемых месторождений со сложными геологическими условиями, когда возрастают требования по рациональному недропользованию и экологической безопасности, возникает необходимость уделять особое внимание качеству завершающей стадии строительства скважины — ее креплению.

Повышающиеся требования к качеству цементирования диктуют необходимость расширения базисной линейки добавок для цементных растворов и разработки новых высокоэффективных композиций.

Группа компаний «Миррико» в течение 10 лет осуществляет разработку решений и комплексные поставки реагентов, материалов и добавок для всех этапов строительства нефтяных и газовых скважин. Собственная научно-техническая база, производственные мощности и квалифицированный персонал позволяют разрабатывать и внедрять уникальные реагенты. Результатом создания отдела химических реагентов для цементирования в составе ООО «Промышленная химия» стало расширение линейки продукции под торговой маркой ATREN. К настоящему времени линейка добавок для цементирования ГК «Миррико» включает понизители водоотдачи, пеногасители, пластификаторы, замедлители, буферные композиции, стабилизаторы, армирующие агенты, наполнители. Данные реагенты успешно применяются буровыми и сервисными компаниями, позволяя решать технологические задачи высокого уровня, при этом повышая качественные результаты.

Как известно, для полной гидратации цементного порошка необходимо наличие 0,4-кратного количества воды от его массы. При этом только 60% ее связывается химически, остальные 40% исходной воды остаются в порах цементного геля в слабосвязанном состоянии. Под воздействием температуры, давления и агрессивной среды протекают процессы седиментации и фильтрации тампонажного раствора, приводящие к увеличению проницаемости цементного камня, ухудшению прочностных характеристик крепи и нарушению целостности ее структуры. Традиционное использование полимерных композиций для снижения показателя водоотделения не всегда оправдано, так как они удлиняют сроки гидратации цементных частиц, приводят к усадке цементного камня в условиях протекания процесса контракции.

Применение реагента Atren Light позволяет создавать облегченные седиментационно-устойчивые тампонажные системы. Тиксотропная добавка Atren Light вступает в реакцию с ионами кальция, образуя трехмерную гелеобразную сетку. Структура геля создает достаточную вязкость, что позволяет увеличивать водоцементное отношение без излишнего выделения свободной воды. Порошок Atren Light обычно смешивается в сухом виде с цементом в концентрациях 0,5 – 2% от веса цемента, при этом плотность цементного раствора может быть 1300 – 1700 кг/м 3 .

Как показывают экспериментальные данные (табл. 1) и опыт применения, глинопорошок плотностью 2600 кг/м 3 максимально снижает плотность цементного раствора до 1500 кг/м 3 , при этом водосмесевое отношение составляет 1. Дальнейшее понижение не представляется возможным по причине резкого ухудшения физико-механических свойств образующегося цементного камня.

Раствор с добавкой Atren Light имеет прочность, удовлетворяющую ГОСТ 1581-96, более короткие сроки загустевания и схватывания по сравнению с цементно-бентонитовыми смесями. Использование химического наполнителя Atren Light для облегчения цементных растворов с сохранением прочностных характеристик вместо гельцемента является целесообразным, а по отношению к промышленно выпускаемым облегченным цементам и экономически рентабельным.

Широкое распространение в технологиях крепления скважин получили алюмосиликатные полые микросферы АСПМ, позволяющие облегчать раствор до 1500 кг/м 3 при В/Ц=0,6 и содержании 10%. Увеличение концентрации АСПМ до 20% в цементной смеси позволяет достичь плотности тампонажного раствора вплоть до 1250 кг/м 3 (рис. 1), однако при этом увеличивается флюидопроницаемость, что негативно сказывается на качестве контакта на границах «порода – цемент» и «цемент – обсадная колонна». Поэтому оптимальное соотношение компонентов с применением микросфер должно составлять 90:10 или 85:15.

Тем не менее из-за большой разницы в удельных весах самого цемента и добавки АСПМ в цементном растворе под действием гравитационных сил протекают процессы седиментации, приводящие к расслоению всей системы. Введение добавки Atren Light в концентрациях 0,5 – 1,5% способствует равномерному распределению частиц цемента и АСПМ, получению однородной структурной матрицы с минимальным содержанием свободной воды. Это позволяет решить проблему всплытия микросфер, создав седиментационно-устойчивую дисперсную систему (рис. 2).

Уменьшением водотвердого отношения возможно добиться седиментационной устойчивости тампонажного раствора, однако при одновременном сохранении его подвижности необходимо вводить пластифицирующий агент.

Решением задачи обеспечения подвижности тампонажного раствора может служить применение добавки Atren Plast 1. В отличие от традиционных пластификаторов действие пластифицирующего агента Atren Plast 1 ввиду особенностей химической природы полимеров основывается на совокупности стерического и электростатического факторов. При этом эффективность данной добавки достигается при концентрации до 0,1% от массы цемента, а температура применения – до 1700С.

Как показывают лабораторные испытания (рис. 3), введение пластификатора Atren Plast 1 в тампонажный раствор плотностью 1,94 г/см 3 в концентрации 0,08% к массе смеси значительно снижает реологические характеристики раствора.

Эффективность пластифицирующего действия Atren Plast 1 в 3 – 4 раза больше по сравнению с традиционным пластификатором С-3 на сульфонафталиновой основе.

В скважинных условиях, при высоких давлениях, во избежание потери значительного количества отфильтрованной воды необходимо использовать понизитель фильтрации. Добавление химического реагента Atren Cem производства ГК «Миррико» к цементному раствору позволяет значительно снизить показатель фильтрации, уменьшить водоотделение; при этом данный понизитель фильтрации обладает совместимостью со всеми классами цемента, а также со многими добавками других производителей.

Читайте так же:
Раствор цементный адгезия мпа

Одним из высокоэффективных продуктов для подготовки ствола скважины перед цементированием, предлагаемых ГК «Миррико», является химический отмывающий буфер Atren Spacer W на основе водного раствора смеси поверхностно-активных веществ, комплексонов и полезных добавок. Данный реагент в ходе лабораторных тестов и промышленного применения на месторождениях Западной Сибири доказал свою эффективность по сравнению с другими отмывающими буферными жидкостями. Моющий буфер Atren Spacer W активно разрушает и смывает глинистую и углеводородную корку при расходе 3 – 4 кг на 1 м 3 раствора, что обеспечивает полную очистку затрубного пространства скважины.

Совместное применение в технологических процессах понизителя фильтрации Atren Cem, пластификатора Atren Plast, отмывающего буфера Atren Spacer W, наполнителя Atren Light, пеногасителей Atren Antifoam и других реагентов, поставляемых группой компаний «Миррико», способствует повышению качественных показателей процесса крепления нефтяных и газовых скважин.

Специалисты Группы компаний «Миррико» готовы предложить высокоэффективные решения технологических задач цементирования с применением химических реагентов, удовлетворяющих различным геолого-техническим условиям.

Повышение качества крепления скважин на месторождениях арктического шельфа России

Вопросы качественного крепления скважин и разобщения пластов являются одними из наиболее ответственных и сложных во всем цикле строительства скважин. Острота этих вопросов возрастает при строительстве скважин на морских месторождениях, поскольку отрицательные последствия нарушения герметичности крепи скважины могут привести даже к экологическим катастрофам.

Традиционно применяемые в настоящее время тампонажные материалы на цементной основе не могут обеспечить надежной герметизации затрубного пространства за обсадными колоннами из- за повышенной водоотдачи и низкой седиментационной устойчивости, контракции и усадочных деформаций при твердении.

Анализ работ отечественных и зарубежных ученых и специалистов- практиков позволяет выделить несколько характерных для регионов арктического шельфа факторов, влияющих на качество крепления скважин:

— низкая скорость гидратации и длительные сроки схватывания;

— плохая седиментационная устойчивость раствора со всеми отрицательными последствиями;

— усадка цементного камня при твердении;

— низкая прочность и высокая проницаемость получаемого камня.

Большинство этих факторов является следствием потери свойств цемента в результате его комкования при хранении, что связано с уменьшением его удельной поверхности в результате гидратации зерен цемента за счет воды, адсорбирующейся в межзерновом поровом пространстве. Чем выше относительная влажность окружающей среды и чем больше удельная поверхность цемента, тем больше вероятность ухудшения его свойств при хранении.

Табл. 1 Влияние дезинтеграторной
обработки на свойства цемента

В связи с перспективностью нефтегазоносности месторождений арктического шельфа России и предстоящими большими объемами работ в данном регионе, очевидно, не удастся исключить длительное хранение тампонажных материалов до их применения, и, следовательно, не удастся полностью исключить потерю ими эксплуатационных характеристик. Поэтому разрабатываемые технологии по повышению качества крепления скважин должны быть, прежде всего, направлены на восстановление удельной поверхности цемента. Для решения этой проблемы отечественными исследователями были предложены интересные и оригинальные технологические приемы [1–7], основанные на использовании методов сухого и мокрого помола.

Вместе с тем, анализ имеющихся работ и проведенные нами исследования позволяют считать, что задача восстановления свойств тампонажных цементов и повышения на этой основе качества крепления скважин может быть решена с помощью дезинтеграторной технологии [9–14]. Ее принципиальным отличием от других технологий восстановления свойств цементов является активация материалов и повышение их реакционной способности.

Табл. 2 Влияние дезинтеграторной обработки на свойства раствора и камня

Дезинтеграторная технология может быть особенно эффективна при бурении скважин на морских и шельфовых месторождениях, при бурении с плавучих средств, т.к. активационные установки могут легко вписываться в существующие стационарные технологические схемы.

Из множества направлений совершенствования и развития дезинтеграторной технологии, применительно к месторождениям арктического шельфа, мы считаем наиболее важнейшими следующие:

— получение небольших партий специальных цементов;

— восстановление свойств цементов длительного хранения;

— использование двухступенчатого помола цементного клинкера при получении тампонажных портландцементов;

— модификация цементов реагентами.

Активации подвергался тампонажный цемент Новотроицкого цементного завода, хранившегося на складе в течение 6 и 18 месяцев. Обработка проводилась при удельном расходе электроэнергии от 5 до 50 кВт.ч/т со скоростями соударения частиц 90, 120, 160,180, 210 м/с.

В результате экспериментов было установлено, что для восстановления свойств слежавшегося цемента до требований ГОСТ, требуется обработка со сравнительно низким удельным расходом электроэнергии (10 кВт·ч/т) при скорости соударения частиц 120 м/сек. Высокий режим активации (40–50 кВт·ч/т) при скоростях 180–210 м/с цемента, хранившегося на складе в течение 1.5 лет и сохранившего порошкообразное состояние с крупинками, позволяет получить высокоактивный цемент, который можно применять для цементирования скважин с отрицательными и низкими положительными температурами без добавления ускорителей схватывания.

Для цементов со сроком хранения 8 месяцев при естественной влажности было проведено более детальное исследование дезинтеграторной обработки на свойства раствора цемента и камня.

Табл. 3 Результаты цементирования обсадных колонн

Водопотребность тампонажных смесей определялась исходя из получения тампонажного раствора с растекаемостью 200 мм. Цемент обрабатывался при режимах от 3000 до 24000 об/мин. С ростом частоты вращения роторов дезинтегратора растекаемость начинает уменьшаться, и при частоте вращения более 15000 об/мин раствор становится непригодным для цементирования без применения пластификаторов.

В то же время следует отметить, что при обработке материала с большими энергиями удается сохранить заданную подвижность раствора (200 мм) даже при достаточно большом водоцементном отношении 0.65–0.67. При водоцементном отношении в этих пределах плотность тампонажного раствора, получаемого на бездобавочном цементе, становится менее 1650 кг/см3. Это свидетельствует о возможности получения высокопрочных облегченных тампонажных растворов и возможности получения тампонажных растворов плотностью 1400 – 1500 кг/см3 при небольшом количестве инертных добавок.

Читайте так же:
Цемент марки м500 сертификат

Дезинтеграторная активация тампонажных материалов повышает седиментационную устойчивость цементных суспензий, и при определенных режимах обработки материала суспензии становятся седиментационно- устойчивыми. В частности, тампонажный портландцемент после 8 месяцев хранения, обработанный в дезинтеграторе при частоте вращения роторов до 18000 об/мин, показал высокую стабильность и не выделил жидкой фазы при отстое.

По нашему мнению, повышение седиментационной устойчивости тампонажных суспензий после дезинтеграторной обработки происходит за счет увеличения дисперсности цемента. Определенную роль при этом могут играть электростатические явления на активированных поверхностях, способствующих проявлению отталкивающих сил. Последние, в свою очередь, задерживают коагуляцию раствора в индукционном периоде и способствуют повышению агрегативной устойчивости тампонажной суспензии.

Соответственно при обработке изменяется кинетика твердения, что отразилось на скорости схватывания цементного раствора и прочности полученного камня, которая значительно превышает требования ГОСТ.

Кроме этого, был исследован цемент, находившийся на базе острова Колгуев и использовавшийся для крепления пробуренных там скважин. По результатам лабораторного анализа было выявлено, что цемент марки ПЦТ-Д20-50 не соответствовал ГОСТу 1581-96. Перед дезинтеграторной обработкой проба цемента предварительно была размолота до тонкости помола проходящего через сито с отверстиями 4.0 мм. Пробы испытываемого цемента были активированы при скоростях вращения роторов от 4800 до 12000 об/мин (табл. 1).

Опыты показали, что дезинтеграторная обработка уже при скоростях вращения ротора более 4800 об/мин позволила нормализовать удельную поверхность цемента длительного хранения.

Показатели тампонажных растворов при водоцементном отношении 0.5 и камня, приготовленного из них, приведены в табл. 2. Номера опытов соответствуют табл. 1.

Начало схватывания исходного цементного раствора из- за наличия крупных частиц цемента не было однозначно зафиксировано, а конец схватывания превысил 20 часов. Дезинтеграторная обработка позволила резко повысить скорость твердения и приблизить сроки схватывания к стандартным. Более ощутимо влияние активации на седиментационную устойчивость.

Влияние активации на прочность существенно, причем приращение прочности пропорционально скорости вращения и соударения частиц.

Указанные результаты вполне вписываются в теорию дезинтеграторного измельчения материалов и показывают перспективность данной технологии.

В процессе экспериментов были получены положительные результаты по использованию дезинтеграторной технологии при химической обработке тампонажных цементов для приготовления пластифицированных цементов. Кроме того, экспериментальные исследования подтвердили возможность получения высокопрочных облегченных тампонажных смесей, благодаря дополнительному резерву прочности цемента, получаемого при его дезинтеграторной активации. Нами совместно с И.Н.Каримовым была исследована цементно- зольная тампонажная композиция, в которой в качестве вяжущего был использован цемент со сроком хранения 6 месяцев. Результаты экспериментов, показали, что введение золы в достаточно долго хранившийся цемент при незначительном увеличении водоцементного отношения (0.55–0.7) позволяет получить высокопрочные облегченные растворы с приемлемой подвижностью.

Также были проведены эксперименты по технологии двухступенчатого помола цементов, которые показали, что независимо от крупности исходных материалов с увеличением интенсивности дезинтеграторной обработки удельная поверхность тампонажного материала увеличивается, что не противоречит общеизвестным закономерностям. Наилучшие результаты в повышении технологических параметров тампонажного цемента получены при удельной поверхности портландцемента 190–205 м2/кг. В этом случае приращение удельной поверхности на 30–50% больше по сравнению с цементом, имеющем исходную удельную поверхность 1000–300 м2/кг. Также установлено, что при удельной поверхности исходного цемента 190–205 м2/кг растекаемость цементного раствора имеет максимум при минимальном водоцементном отношении. Независимо от крупности исходного цемента при всех исследованных режимах активации прочность камня, полученного из тампонажных материалов дезинтеграторного приготовления и твердевшего в нормальных условиях, имеет тенденцию к увеличению.

По нашему мнению, в настоящее время наиболее выгодно производство мобильных установок сухого и жидкого помола производительностью до 1 т/ч и дезинтеграторных линий производительностью 3 т/ч, позволяющих с высокой степенью мобильности выпускать широкую номенклатуру материалов, как для крепления, так и для капитального ремонта скважин и обеспечивать потребности любых предприятий. Габариты и компоновка установки должны быть такими, чтобы ее легко можно было вписать в имеющуюся технологическую схему установок для морского бурения.

Практическая реализация результатов исследований

В результате приведенных исследований разработаны технологические режимы приготовления и активации тампонажных материалов. Совместно со специалистами УГНТУ для месторождений арктического шельфа была разработана и изготовлена специальная активационная установка.

После ее сборки была проведена обкатка и проверка работоспособности отдельных узлов, агрегатов и установки в целом. Для этого, на базе АМНГР обработке были подвергнуты имеющиеся там тампонажные цементы и глинопорошки, показавшие работоспособность установки.

Проведенные испытания показали, что результаты работы дезинтеграторной установки коррелируются с результатами экспериментальных исследований.

После этого установка была доставлена на о.Колгуев, где использовалась для обработки цементов при креплении кондукторов и эксплуатационных колонн на скважинах Песчаноозерской площади.

После подготовки тампонажного цемента он загружался в цементосмесительные машины и доставлялся на буровую. Для цементирования кондукторов использовался тампонажный раствор нормальной плотности, для крепления промежуточных колонн и кондукторов – раствор нормальной плотности (300–500 м от забоя) и облегченный тампонажный раствор (в остальной части интервала).

Облегченные тампонажные материалы приготавливались смешением портландцемента и глинопорошка в соотношении 85:15 на дезинтеграторной установке. На буровые эти цементы доставлялись в цементо- смесительных машинах.

Тампонажные растворы приготавливались через осреднительную емкость. Для контроля процессов цементирования применяли станцию контроля цементирования.

Читайте так же:
Рынок цемента краснодарского края

По результатам освоения, испытания скважин, а также по данным АКЦ было отмечено улучшение качества цементирования (табл. 3).

Проведенные промышленные испытания позволили установить:

— при загрузке цемента в смесительные машины происходит значительное снижение его потерь. Если раньше при загрузке выбраковывалось до 30% цемента из- за образовавшихся комков цемента, то при использовании дезинтеграторной установки потери составили менее 5%;

— исчезли осложнения при приготовлении тампонажных растворов;

— значительно улучшилось качество получаемого тампонажного раствора, цементного камня;

— повысилось качество цементирования.

Экспериментальные и промышленные исследования по дезинтеграторной технологии показали хорошие перспективы ее использования для восстановления свойств тампонажных материалов и, как следствие, повышения качества крепления скважин.

ЛИТЕРАТУРА:
1. Антонова М.П., Курдачев А.И. Улучшение свойств лежалых и свежих тампонажных цементов с помощью ультразввука. НТС «Бурение», вып. 6., ВНИИОЭНГ, м., 1967.
2. Бережной А.И., Зельцер П.Я. Повышение активности лежалого тампонажного цемента. ВНИИЭГазпром, 1972, №13.
3. Горский А.Т., Швецов В.Д. Улучшение свойств цементных растворов, приготовленных из лежалых цементов.–«Нефть и газ Тюмени», 1969, №4.
4. Детков В.П., Козодеров В.А., Сабирзянов А.К. Гидравлическая активация цемента, М.: «Бурение», ВНИИОЭНГ, 1974, №5.
5. Круглицкий Н.Н., Гранковский И.Г., Вагнер Г.Р., Детков В.П. Цементирование низкотемпературных скважин активированными тампонажными растворами, РНТС, ВНИИОЭНГ, «Бурение» 1973, вып.5.
6. Хусид Л.Б., Ковалев А.Т. Временная инструкция по гидравлической активации лежалых цементов. Краснодар, изд-во ВНИИКрнефти, 1973.
7. Шадрин Л.Н., Кантакаузен А.В. Восстановление свойств лежалых тампонажных цементов. – В кн. Проблемы развития нефтегазодобывающей промышленности Западной Сибири. М.: 1967.
8. Исследование процессов комкования в слеживаемости тампонажных материалов в процессе хранения. Авт. Скворцов Ю.П., Кравцов В.М. и др. Научно-тематический сборник «Проблемы нефти и газа Тюмени» вып. 39,Тюмень, 1978г
9. Хинт И.А. Основы производства силикальцитных изделий. М.: Госстройиздат. – 1962.
10. Дистлер Г.И. О механизме механоактивации твердых и жидких систем и механизме, протекающих во время и после активации химических реакций:Тез. докл./ II семинар по УДА-технологии. Таллинн:, 1983 – С. 8–10.
11. Бутягин П.Ю. Энергетический выход механо-химических процессов. УДА-технология //Тезисы доклада семинара.– Таллинн:1983.- с.5–7.
12. Ванаселья Л.С. Успехи и задачи развития дезинтеграторной технологии /Тезисы докладов II семинара УДА-технологии.- Таллинн: 1983.-с. 3-5.
13. Измухамбетов Б.С., Каримов Н.Х., Агзамов Ф.А., Мавлютов М.Р. Применение дезинтеграторной технологии в нефтегазовой промышленности.- Самара: 1998.-150 с.
14. Каримов Н.Х., Измухамбетов Б.С. Дезинтеграторный способ регулирования свойств материалов, применяемых в бурении./ Энергетика и топливные ресурсы Казахстана – Алматы: 1994.- №4.- с. 15–21.
15. Зельцер П.Я., Мавлютов М.Р., Агзамов Ф.А. Ресурсосберегающие технологии и материалы в креплении скважин./ Обзор.информ. Техника и технология геол.-развед. работ. -М.: ВИЭМС. 1989. Вып. 2.- 43 с.

научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СЕДИМЕНТАЦИИ ТАМПОНАЖНОГО РАСТВОРА НА СВОЙСТВА ПОЛУЧАЕМОГО ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ Геофизика

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СЕДИМЕНТАЦИИ ТАМПОНАЖНОГО РАСТВОРА НА СВОЙСТВА ПОЛУЧАЕМОГО ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ - тема научной статьи по геофизике из журнала Нефтяное хозяйство

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СЕДИМЕНТАЦИИ ТАМПОНАЖНОГО РАСТВОРА НА СВОЙСТВА ПОЛУЧАЕМОГО ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ»

© Коллектив авторов, 2014

Исследование влияния седиментации тампонажного раствора на свойства получаемого цементного камня

Н.И. Николаев, д.т.н.

Адрес для связи: kozhevnikov_evg@mail.ru

Ключевые слова: крепление горизонтальных скважин, тампонажный раствор, седиментация.

Studying of sedimentation influencing on cement stone properties

E.V. Kozhevnikov, N.I. Nikolaev (National Mineral Resources University (University of Mines), RF, Saint-Petersburg), O.A. Ozhgibesov, R.V. Dvoretskas

(Perm National Research Polytechnic University, RF, Perm)

Key words: horizontal well cementing, cement slurry, sedimentation.

Oil and gas horizontal well drilling associated with the big amount of challenges that may occur while drilling or completion operations. The main risk while horizontal well cementing is sedimentation of cement slurry. Isolation of paid zones can be failed that caused by annular space flows. Results of cement slurry sedimentation studying are presented. Influence of cement sedimentation on cement stone properties is considered. It is determined that plugging back stone has heterogeneity of it properties, under upper wall of horizontal well cement stone has the worst strength and filtration properties.

В настоящее время по разным данным эксплуатация более чем 60 % горизонтальных скважин в мире осложнена наличием заколонных перетоков, что приводит к преждевременному обводнению скважинной продукции и снижению эффективности разработки месторождения [1]. Высокое качество крепления скважин достигается применением технических и технологических приемов, основным из которых является регулирование свойств и составов используемых тампонажных растворов [2]. Такие составы должны обладать следующими параметрами:

— высокой степенью прокачиваемости;

— большой прочностью цементного камня;

— достаточным расширением тампонажного камня при твердении для создания плотного контакта с сопредельными средами;

— высокой адгезией к сопредельным средам;

— низкой проницаемостью цементного камня.

Главным фактором, снижающим качество цементирования горизонтальных скважин, является седиментация тампонажного раствора [3]. В отличие от вертикальных скважин, герметичность которых в целом не снижается, в горизонтальных даже незначительная водоотдача приводит к тому, что у верхней стенки образуется канал с жидкостью затворения. В результате контакт цементного камня с породой в этой зоне может отсутствовать, что приводит к появлению заколонных перетоков. При водоотделении тампонажного раствора до 4 % в скважине могут образовываться ка-

налы толщиной до 7 мм [4]. В настоящее время остаются недостаточно изученными процесс седиментации тампонажного раствора и его влияние на свойства получаемого цементного камня [5].

Очевидно, что при разделении тампонажного раствора на твердую и жидкую фазы его плотность изменяется по высоте, что косвенно может характеризовать седиментационную устойчивость раствора [6]. Для отбора проб тампонажного раствора и определения его плотности на различных уровнях был изготовлен специальный цилиндр, представляющий собой стакан высотой 114 мм с боковыми отверстиями на разных уровнях, условно делящими стакан на пять слоев толщиной по 22 мм. Приготовленный тампонажный раствор без добавок известной плотности разливался в цилиндры и через определенный интервал времени проводился отбор проб с разных уровней с последующим измерением плотности.

Читайте так же:
Цементные панели для забора

Результаты исследований показали (рис. 1), что в начальный период времени (15 мин) после оставления тампонажного раствора в статическом состоянии под действием сил тяжести в нем происходят оседание частиц цемента и всплытие свободной воды. При этом седиментацию тампонажного раствора можно представить в виде движущихся с одинаковой скоростью в противоположном направлении матриц твердой фазы и жидкости затворения, плотности тампонажного раствора в средних слоях остаются равными начальной. Опускаясь, частицы цемента скапливаются в придонном слое, наблюдается интенсивный рост плотности — на 43 кг/м3.

Рис. 1. Динамика плотности тампонажного раствора по слоям

Одновременно происходят сжатие цементной матрицы и отток свободной воды в средние слои. В верхней части стакана образуется водный слой, и плотность снижается на 32 кг/м3.

В течение следующих 20 мин плотность нижнего слоя увеличивается на 10 кг/м3 и начинается интенсивный рост плотности четвертого слоя — на 20 кг/м3, что обусловлено уменьшением количества подступающей воды из нижнего слоя и уплотнением структуры раствора. Структура раствора уплотняется в третьем слое за счет снижения количества подступающей снизу воды, плотность относительно начальной незначительно увеличивается и составляет 1876 кг/м3. Во втором слое структура раствора не подвергается влиянию процессов, происходящих снизу, плотность остается на уровне начальной. С тем же темпом продолжаются подток воды в верхний слой и снижение его плотности на 34 кг/м3.

Через 1 ч седиментационные процессы в нижней части стакана замедляются. Плотность нижнего слоя почти не изменяется, следовательно, в нем сформировалась плотная коагуляционная структура. Плотность четвертого слоя по-прежнему возрастает, но более медленно. Уменьшение количества подступающей снизу воды значительно повышает плотность среднего слоя — на 23 кг/м3 по отношению к начальной. Плотность раствора во втором слое увеличивается на 10 кг/м3, верхнего слоя снижается с тем же темпом на 35 кг/м3. Это свидетельствует о том, что структура раствора в верхней части не изменяется, вода затворе-ния подступает в том же количестве.

В следующие 20 мин в нижней части стакана плотность раствора почти не изменяется, вследствие чего во втором слое происходит ее максимальный рост за все время — на 14 кг/м3. Снижение плотности верхнего слоя на 19 кг/м3 свидетельствует о том, что фронт деформации исходной структуры раствора достиг верхней границы.

Ближе к началу загустевания седиментация в растворе прекращается, в результате в зависимости от высоты раствор имеет разную плотность, отличающуюся от начальной (см. таблицу). На поверхности раствора образуется пленка отделившейся воды, толщина ее достигает 5 мм, что соответствует водоотдаче 4,3 %.

Анализируя результаты исследований, можно сделать следующие выводы:

— в тампонажном растворе в начальный период времени средняя плотность раствора во 2, 3 и 4 слоях равна начальной, следовательно, оседание частиц цемента происходит как равномерное движение двух матриц твердой и жидкой фаз относительно друг друга;

— уплотнение частиц цемента в нижней части стакана способствует ускорению структурообразования;

— взаимодействие частиц цемента и его гидратация в процессе седиментации обусловливают неравенство плотностей всех слоев на начало загустевания раствора.

Изменение плотности раствора в результате седиментации не может не влиять на свойства получаемого цементного камня. В связи с этим необходимо изучить основные физико-механические свойства цементного камня (прочность, адгезию, проницаемость), получаемого из растворов различной плотности. Для определения свойств цементного камня из растворов известной плотности изготавливались образцы с целью дальнейшего их испытания на сжатие и изгиб, определения проницаемости и адгезии. Испытания на прочность проводились на установке Controls. Абсолютная проницаемость определялась на установке TBP-804. Для оценки величины адгезии цементного камня к металлу были изготовлены формы из металлических втулок разного диаметра. Выпрессовка внутренней втулки проводилась на прессе Controls. Полученные параметры приведены в таблице.

Результаты исследований показали, что физико-механические свойства цеметного камня непосредственно зависят от плотности исходного раствора (рис. 2): чем она больше, тем выше прочностные характеристики и адгезия камня к стальной поверхности и тем ниже его проницаемость. Это обусловлено изменением структуры раствора в процессе седимен-

Номер слоя Плотность, кг/м Водоцементное Прочность цементного камня, МПа, на Адгезия цементного камня к металлу, МПа Проницаемость цементного камня,

изгиб сжатие 103 мкм2

1 1871 1740 0,618 2,1 9,2 0,82 0,44

2 1871 1896 0,465 3,0 23,6 1,01 0,27

3 1871 1905 0,460 3,5 23,4 1,03 0,23

4 1871 1914 0,450 3,7 26,1 1,16 0,20

5 1871 1930 0,428 3,5 33,3 1,30 0,15

Рис. 2. Зависимость прочности цементного камня на изгиб аизг (а), сжатие асж (б), его адгезии к стали А (в), проницаемости кпр (г) и плотности тампонажного раствора р от высоты расположения в цилиндре

тации, результатом которой является более плотная упаковка цементных зерен в растворе в нижней части и менее упорядоченная в верхней. Цементный камень, получаемый из раствора плотностью, соответствующей плотности верхней части, обладает минимальными прочностными характеристиками: прочность на изгиб составляет 2,1 МПа, что ниже значений, нормируемых по ГОСТ 1581-96; прочность на сжатие — 9,2 МПа, или почти в 4 раза ниже прочности камня, получаемого из раствора, соответствующего нижней части — 33,3 МПа. В результате седиментации адгезия цементного камня к стали в верхней части составляет 0,82 МПа, что на 40 % меньше, чем в нижней. Проницаемость цементного камня, полученного из тампонажного раствора меньшей плотности, равна 0,44-10-3 мкм2, что в 3 раза больше, чем проницаемость камня из наиболее плотного раствора.

Читайте так же:
Сколько надо цемента один блок

1. Совместно протекающие процессы седиментации и гидратации цемента в тампонажном растворе обусловливают неоднородность получаемого цементного камня.

2. Расслоение тампонажного раствора в условиях горизонтальной скважины приводит к тому, что образующийся цементный камень обладает низкими прочностными и адгезионными свойствами, а также высокими фильтрационными характеристиками у верхней стенки скважины, что приводит к

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Седиментация в тампонажных растворах и ее последствия

В последнее время многие исследователи, занимающиеся вопросами крепления и РИР скважин, приходят к выводу, что одним из наиболее перспективных и реальных путей повышения качества разобщения пластов является повышение стабильности и седиментационной устойчивости применяемых тампонажных растворов. Под седиментационной устойчивостью понимается устойчивость тампонажного раствора к воздействия гравитационные сил, приводящих к разделению дисперсной среды и дисперсионной фазы. Седиментационную устойчивость тампонажных растворов принято оценивать величиной водоотделения — количеством выделившейся воды затворения, или удельным водоотделением — количеством отделившейся воды затворения, отнесенным к объему цементного раствора или к объему воды затворения.

Действительно, для полной гидратации цементного клинкера необходимо 22-23 % воды. С целью обеспечения подвижности цементного раствора при цементировании обсадных колонн количество воды увеличивается до 45-50 % от веса сухого цемента. При этом цементные зерна в начальный период обладают невысокой силой сцепления между собой, а суспензионная среда — невысокой вязкостью. Вследствие этого твердые составляющие оседают, а вода затворения поднимается вверх.

В процессе седиментации избыточная вода затворения, взламывая чрезвычайно слабые в начальный период связи между частицами, заставляет их совершать хаотическое движение. Первичные частицы дисперсной фазы, сталкиваясь, образуют двойные частицы. Последние, также совершая хаотическое движение и встречаясь или с такими же двойнымиили с оставшимися еще в системе одиночными частицами, образуют строенные или счетверенные частицы, а затем появляются, более значительные агрегаты.

Когда складываются несколько агрегатов, образуется участок пониженной проницаемости для фильтрирующейся воды.

Образование агрегатов приводит к тому, что плотность структуры постепенно все более различается на отдельных участках системы. При этом общая величина структурной прочности тампонажного раствора в этот период еще низка. Поэтому даже при незначительной, разнице в плотностях одного участка относительно другого происходит нарушение связей в наиболее слабом месте: более плотный сгусток спускается вниз, разрушая структуру менее плотных. Вероятно, что и сам он при движении вниз частично или полностью разрушается. Это будет продолжаться до тех пор, пока растущие прочностные связи не свяжут их в единый каркас, способный выдержать возникающие напряжения, обусловленные разницей плотности отдельных участков.

По мнению А. И. Бережнова наиболее слабые звенья структуры находятся на, контакте с внешней средой (стенка скважины, глинистая корка, стенка обсадной трубы), поэтому здесь и происходит сдвиг отдельных цементных зерен, приводящий к нарушению целостности структуры.

В результате сдвига зерен структура цементного раствора нарушается. В образующиеся нарушения, которые в первый момент имеют вид точек, а затем приобретают вид бороздок, поступает жидкость, находившаяся до этого в структурных ячейках. Между жидкостью, отфильтровавшейся в бороздку, и ячейками, откуда была отжата часть жидкости, устанавливается гидравлическая связь. Сила отжатия жидкости из ячеек зависит от ряда факторов, в том числе от гидростатического давления столба раствора, находящегося выше их. Поэтому в бороздках давление жидкости больше, чем давление жидкости в ячейках, которые находятся выше "бороздки" в растворе, структура которого не была затронута нарушениями. В результате, если давление жидкости в "бороздке" преодолевает прочность структурной сетки, отгораживающей ее от вышерасположенных ячеек, происходит прорыв отжатой жидкости в выше расположение ячейки. В первое время скорости восходящих потоков из вершин "бороздок" невелика, и поэтому поток представляют собой движение чистой жидкости. По мере ее возрастания происходит разрушение прилежащей к потоку структуры раствора, что влечет за собой обогащение жидкости цементными зернами, и через некоторое время весь восходящий поток представляет собой часть цементного раствора, который движется в основной массе цементного раствора. На месте восходящего потока остается канал в основном заполненный водным раствором продуктов реакции между водойи цементом.

Экспериментальными исследованиями, установлено, что недостаточная седиментационная устойчивость тампонажных растворов приводит к развитию целого ряда явление, таких как:

1. увеличение проницаемости цементного камня вдоль направления движения восходящей при седиментации жидкости затворения. Проницаемость образцов из цементного камня вдоль направления фильтрации жидкой фазы на 20-40 % выше, чем в радиальном направлении;

2. нарушение сплошности тампонажного камня в затрубном пространстве в поперечном направлении в результате образования водяных "поясов"; в продольном направлении — в результате появления каналов различной протяженности, промытых восходящим потоком воды и др.

Седиментационную устойчивость (водоотделение) определяю с помощью мерных цилиндров (250 мл).

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector