Седиментация в тампонажных растворах и ее последствия
В последнее время многие исследователи, занимающиеся вопросами крепления 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.
Контракция
При гидратации цемента происходит образование кристаллогидратов. Вода из свободного состояния переходит в связанное (в состав кристаллической решетки, либо связывается адсорбционными силами).
При этом ее состояние превращается в квазитвердое - увеличивается плотность, снижается подвижность, объем. Также изменяется и исходный минерал вяжущего, несмотря на увеличение объема новообразований, общий объем системы становится меньше суммарного объема исходной системы вода - цемент. Это явление названо контракцией. Оставшийся объем будет представлен порами и обычно сопровождается развитием на поверхности системы твердеющего камня разряжения, что способствует всасыванию контактирующих с ним воды, нефти и газа. Величина контрактации зависит от исходного вяжущего, условий твердения и т.д. Для обычных портландцементов расчетная величина контракции принимается равной 7 ¸ 9 мл, на 0,1 кг цемента. В результате контракции твердеющий цементный раствор всасывает воду из контактирующей снимглинистой корки. Корка обезвоживается. При этом образуется сеть каналов, по которым может двигаться пластовый флюид. Снижение контракционного эффекта в основном производят введением наполнителей. Оценить величину контракции можно следующим образом:
Примем: В/Т = 0,5
ц = 300 кг/м3
в = 1000 кг/м3
Тогда тампонажный раствор по массе можно представить следующим образом:
вода цемент
1ч = 33 % 2ч = 67 %
по объему
вода цемент
1ч 0,6 0,6 40 %
Для полной гидратации требуется B/T=0,25 - 0,28. Таким образом, при условии 100 % гидратации связывается 50 % воды затворения:
свободная вода продукты гидратации
30 % 70 %.
Рассмотрим, что из себя представляют продукты гидратации. Поскольку гидратация это есть процесс присоединения молекул воды к поверхности цементной частицы без ее разрушения, то он сходен с мицеллообразованием. Установлено, что плотность адсорбированной воды в приповерхностном слое составляет 1400 - 2400 кг/м3. Примем =2000 кг/м3, тогда ее объем уменьшается в 2 раза и таким образом рассматриваемую систему можно представить следующим образом
свободная вода поры адсорбированная цементные
вода частицы
30% 15% 15% 40%
Высвобождающийся при этом объем может быть представлен порами, при отсутствии подсоса воды стяжение приведет к усадке.
Усадка
Физико-химические процессы схватывания и твердения портландцемента сопровождается после небольшого (обычно не фиксируемого расширения) усадкой, выражающейся в уменьшении внешнего объема твердеющего цемента. Несмотря на значительное количество работ по усадке физико-химическая природа этого явления недостаточна ясна.
Исследователи рассматривают три вида усадки: физическую (вследствие испарения избытка воды), химическую (вследствие связывания воды гидратными новообразованиями), термическую (вследствие постепенного охлаждения при уменьшении скорости тепловыделения). Усадку портландцемента обычно связывают с контракционными процессами и капиллярными силами. Величина усадки зависит от прочности кристаллизационных контактов, степени гидратации удельной поверхности цемента, времени твердения водотвердого отношения.
Механизм усадки проходит в следующем: в начальный период уменьшение объема происходит вследствие седиментационных и контракционных процессов. По мере развития структурообразования усадка пропорциональна потере свободной воды в результате испарения и связывания ее в гидратные новообразования. При упрочнении структуры образуются поры и капилляры. Увеличение капиллярного давления при снижении влажности среды, приводит к усадочным деформациям после стабилизации кристаллической структуры с прочными кристаллизационными контактами - удаление капиллярной воды не вызывает усадки. Величина усадочных деформаций цемента твердеющего на воздухе в течении 5 лет составила- около3 мм на 1м. Усадка увеличивается пропорционально логарифму времени. В условиях гидротермального твердения усадкане обнаружена.
Прочность и проницаемость
Прочность тампонажных материалов принято характеризовать напряжением, приходящимся на единицу площади первоначального сечения образца, сформированного из цементного теста или раствора, вызывающим его разрушение при приложении сжимающих, растягивающих или изгибающих внешних нагрузок. Для тампонажных материалов в ГОСТ 1881-78 установлены стандартные методы испытаний на прочность. Там же нормированы формы и размеры образцов, состав и консистенция смеси для их приготовления, условия приготовления и твердения, сроки, и условия испытаний и т.д. Прочность цементных образцов - балочек размером 40 ´ 40 ´ 160 мм при изгибе по
ГОСТ I881-78 и возрасте 43 часа должна соответствовать 2,7 МПa для "холодных" скважин и 6,2 для "горячих" скважин.
Однако в течении нескольких лет вопрос о необходимой прочности цементного камня остается дискуссионным. Так, Саркисов Г. М., так же считает, что регламентируемый ГОСТом предел прочности при изгибе через 2 суток твердения при В/Т=0,5 и температуре 22°С вполне обоснован. В то же время
А. И. Булатов на основе экспериментальных и промысловых результатов пришел к заключению, что прочность на изгиб достаточна в размере -1,5 МПa и на сжатие 5,0 МПа.
Специалисты США также полагают, что для всего процесса цементирования можно ограничиться прочностью на сжатие в 3,5 МПа, при, этом коэффициент запаса будет в пределе 2 - 5. Р. И. Феррис считает, что прочность цементного камня, наступающая за концом схватывания, достаточна для продолжения процесса бурения, при этом оставшийся в колонне цемент вследствие низкой прочности легче разбуривается. В кольцевом пространстве вследствие его пластичности не будет растрескиваться при перфорации.
Несмотря на дискуссионный характер величины предела прочности затвердевшего камня для условий цементирования скважин, в действительности показатель прочности всех вяжущих материалов, в том числе и тампонажных, остается одной из важнейших интегральных характеристик, определяющих свойства цемента. Прочность является косвенным показателем фазового состава продуктов твердения и структуры порового пространства сформированного камня.
Кроме того, действительно в начальный момент освоения скважины, когда падение давления незначительно, то прочности цементного камня в 1,5 МПа достаточно. В то же время при полном истощении пласта нагрузки на цементный камень на глубине 3000м. может достигнуть 35 МПа. Отсюда явно, что прочность недостаточна. Цементный камень также работает на сжатие под действием внутреннего давления в колонне, величина которого в процессе перфорации значительна. Установлено, что в камне не наблюдается трещин при перфорации, если прочность камня равна 3,5 ¸ 7 МПа.
Особенно жесткие условия работы цементного камня в тех случаях, когда он выполняет функции опорной перемычки (моста) и должен оказывать большое сопротивление внедрению породоразрушающего инструмента при забуривании второго ствола. В этом случае прочность камня должна быть высокой - соизмеримой, а в некоторые случаях и выше прочности окружающих пород.
С точки же зрения обеспечения надежной изоляции пластов на протяжении длительного периода эксплуатации скважины более важным параметром, при условии отсутствия перетоков по контактам колонно-цементный камень и цементный камень-порода, является проницаемость цементного камня. Ибо возникновение межпластовых перетоков газа, воды или нефти в этом случае будет связано с перемещением флюидов через цементный камень, обладающий повышенной проницаемостью для пластовых флюидов. Поэтому основное внимание должно уделяться именно проницаемости. В ГОСТе же и в технических условиях требования к величине проницаемости не определены. Нет также и единой общепринятой методики ее определения.
Проницаемость образцов цементного камня, в зависимости от условий твердения, изменяется в довольно широком интервале. По мере превращения жидкого раствора в пластическое и твердое состояние, проницаемость образующейся системы непрерывно будет изменяться. В начальной стадии кристаллизации, когда образовавшаяся масса находится в пластическом состоянии, проницаемость будет исчисляться несколькими десятками дарси. По мере развития кристаллической структуры и новообразований проницаемость системы уменьшается до нескольких миллидарси и в дальнейшем стремится к своему пределу.
Реально же, в силу специфики условий скважины, проницаемость камня получается очень высокой. Наглядно это было показано на образцах цементного камня, взятых из скважины. Основная масса цементного камня представлена мелкозернистыми частицами гидросиликатов кальция размером 1-2 мм. Кроме них в камне присутствуют беспорядочно расположенные сростки клинкерных минералов (негидратированные участки цементного камня), на долю которых приходится 15-20 % пробы. На аншлифах под микроскопом видно большое количество пор неправильной формы. Поры часто соединены между собой. Их размер от - 33 до 175 мкм. Отмечены также более крупные поры размером до
1,8 мм, которые переходят в густую сеть мелких пор. Площадь пор составляет
25 - 30 % от площади аншлифов. Поры (размером 0,05 - 0,5 мм) встречаются редко и распределены в цементном камне неравномерно. Основная часть крупных пор сообщается между собой тонкими канальцами через мелкие поры.
Образование камня с высокой проницаемостью, естественно, приведет к межпластовым проявлениям, потере значительного количества добываемого сырья, загрязнению окружающей среды и т.д. Для предотвращения нарушения герметичности затрубного пространства по камню необходимо иметь его проницаемость ниже проницаемости пород,слагающих кровлю и подошву пласта.