Билет №25. Процессы, происходящие при формировании цементного камня в период ОЗЦ.
Техника и технология заканчивания скважин
По мере увеличения дисперсной фазы в высокодисперсных системах, формирование структуры сопровождается ее переходом к структурированной системе, затем к гелеобразному состоянию и, наконец, к твердому телу. Образование структурированных систем является обычным следствием сцепления или срастания между собой дисперсных частиц.
На рисунке 1.25 показано изменение давления на пласт, создаваемого столбом тампонажного раствора. В период I – от окончания процесса цементирования до Т=Т1 давление снижается от полного, создаваемого столбом тампонажного раствора до гидростатического, создаваемого жидкостью затворения. Снижение давления обусловлено явлениями зависания твердой фазы на поверхности обсадной колонны и ствола скважины в процессе седиментации и формирования коагуляционной структуры.
Рисунок 1.25 – Обобщенный график изменения давления столба тампонажного раствора на пласт.
В период II – от Т1 до Т2 в цементном камне начинается образование замкнутых пор, и в третьем периоде интенсивно проявляется процесс контракции и последствия им вызванные.
Таким образом, можно считать, что флюид, особенно газ, поступающий из пласта (либо за счет возникновения депрессии на пласт, либо по другим причинам), вытесняет жидкую фазу из капиллярных пор, выдавливая ее в проницаемые пласты.
Вследствие этого, по мере затвердевания раствора, флюид заполняет образовавшиеся поры, и гидратация клинкерных материалов резко замедляется из-за нехватки воды после образования первичной структуры цементного камня по всей высоте столба, флюид может прорваться на поверхность. Именно этот период наиболее опасен для прорыва газа непосредственно по самому цементному камню. Если твердение тампонажного раствора протекает достаточно медленно, то прорыв газа может носить спонтанный характер за счет развития суфозионных процессов.
Водоотдача тампонажных растворов.
После продавливания тампонажного раствора в затрубное пространство он еще длительное время, до превращения в камень, находится в жидком состоянии. Под действием перепада давления между скважиной и пластом свободная жидкость затворения (вода) отфильтровывается в пласт. В результате получается трещиноватый и пористый цементный камень, прочность которого в 3-4 раза ниже, чем прочность камня, сформированного в условиях отсутствия отфильтровывания. В местах отфильтровывания жидкости затворения образуются трещины, каналы, свищи, которые в дальнейшем развиваются по поперечному сечению и высоте столба тампонажного раствора.
Свойства тампонажного раствора и формирующегося из него цементного камня существенно меняются. Схватывание и твердение в скважине происходит неравномерно. На некоторых участках скважины, состоящих из проницаемых пород, могут образоваться плотные цементные сгустки (пробки). В малопроницаемой горной породе и в межколонном пространстве скважины может находиться не схватившийся с высоким содержанием воды тампонажный раствор. В призабойной зоне скважины отфильтровывание воды более значительно, а по мере удаления от стенок ствола скважины остаточное количество воды в тампонажном растворе увеличивается. В такой же, только обратной зависимости изменяются и физико-механические свойства твердеющего цементного камня, что объясняется удалением в пласт вместе с фильтратом и продуктов гидратации портландцемента.
При отделении избыточной воды из цементного раствора вместе с фильтратом происходит удаление гидроокиси кальция и некоторых других продуктов гидратации. Все это, естественно, не может не отразиться на физико-механических свойствах камня.
В ряде случаев высокая водоотдача тампонажных растворов ограничивает применение того или иного вяжущего материала. Водоотдача чистых (без добавок) цементных растворов зависит от природы цемента, его удельной поверхности, водоцементного отношения и т.д.
Седиментация и ее последствия.
На начальной стадии твердения значительное количество воды затворения находится в свободном виде, силы взаимодействия между частицами малы. Поэтому имеется вероятность осаждения твердой фазы тампонажного раствора. Оседающие цементные частицы приводят к потере однородности раствора и усилению процесса расслоения.
Под седиментационной устойчивостью понимается устойчивость тампонажного раствора к воздействию гравитационных сил, приводящих к разделению дисперсионной 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 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 двойными или 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 фильтрующейся 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.
Наиболее слабые звенья структуры находятся на контакте в внешней средой (стенка скважины, глинистая корка, стенка обсадной трубы), поэтому здесь и происходит сдвиг отдельных цементных зерен, приводящий к нарушению целостности структуры.
Экспериментальными исследованиями установлено, что недостаточная седиментационная устойчивость тампонажных растворов приводит к развитию целого ряда явлений, 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 (входит 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 вес 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 контракции зависит от состава исходного вяжущего, условий твердения и т.д. для обычных портландцементов расчетная величина контракции принимается равной 7-9 мл на 0,1 кг цемента. Для тампонажных портландцементов с водоцементным отношением 0,5 контракция к месячному сроку твердения достигает 50-65% предельной величины, и в дальнейшем рост ее существенно замедляется. Для цементов с повышенным количеством двухкальциевого силиката к месячному сроку твердения цементного камня контракция составляет примерно 30-40% от предельной. Но дальнейшее ее нарастание замедляется менее интенсивно.
С повышением температуры контракция возрастает, особенно в первой стадии. В дальнейшем скорость контракции стабилизируется.
В результате контракции твердеющий цементный раствор всасывает воду из контактирующей с ним глинистой корки, образующейся в процессе бурения на стенках скважины. Корка обезвоживается. При этом образуется сеть каналов, по которым может двигаться пластовый флюид.
Поскольку контракционный эффект пропорционален глубине гидратации цемента, необходимо для обеспечения наиболее полного протекания гидратации уделять особое внимание перемешиванию раствора при закачивании и транспортировке в заколонное пространство.
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 поверхностном слое составляет 1400 – 2400 кг/м3. Примем плотность адсорбированной воды 2000 кг/м3, тогда ее объем уменьшается в 2 раза и таким образом рассматриваемую систему можно представить следующим образом
| Свободная вода | Твердая фаза | ||
| поры | адсорбированная вода | цементные 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 сопровождаются после небольшого (обычно не фиксируемого) расширения усадкой, выражающейся в уменьшении внешнего объема твердеющего цемента.
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.
Взаимодействие цемента с водой сопровождается переупаковкой молекул воды, как за счет химического связывания, так и в результате адсорбции ее на новых поверхностях продуктов твердения. Удельная поверхность продуктов гидратации на 3-4 порядка выше удельной поверхности исходного вяжущего. Химически связанная вода занимает на ¼ меньший объем, чем свободная. При взаимодействии цемента с водой и образования кристаллогидратов возникает дефект, равный примерно этому объему. Освободившийся объем, первоначально занимаемый свободной водой, заполняется за счет притока воды «извне» (если этот приток возможен). При твердении раствора в районе проницаемых пород, на ее стенках отложится глинистая фильтрационная корка, произойдет ее обезвоживание. В ней могут образоваться каналы и трещины. Против плотных малопроницаемых пород или в межколонном пространстве приток воды «извне» исключен.
Это приводит к интенсивному развитию усадочных деформаций, обуславливающих формирование каналов газопроявлений в пограничных зонах цементного камня и образование микро- и макротрещин в самом камне.
Линейная деформация усадки при твердении цемента может быть значительной. Наибольшая усадка – до 0,27% характерна для смесей кувайсайского цемента и нефтебадской глиной и бентонитом. Введение низкомолекулярных полимеров также усиливает усадочные явления в цементном камне – усадка с добавлением 0,15% КМЦ составляет порядка 0,1%.
Под воздействием изложенных выше процессов при затвердевании тампонажного раствора происходит разделение твердой и жидкой фаз. Объем, занимаемый твердой фазой при водоцементном отношении (В/Ц) равном 0,5, не превышает 40%. Существует период, во время которого образующиеся поры сообщаются друг с другом и окружающей средой. Как показывают теоретические и экспериментальные исследования, размеры этих пор могут быть достаточно большими.
Со временем в местах первоначальных сужений пор образуются перемычки из гелеобразных продуктов гидратации, в результате чего формируются замкнутые поры и соответственно снижается проницаемость образующегося камня. Продолжительность формирования замкнутой пористости от нескольких часов до нескольких суток, в зависимости от скорости гидратации, вида цемента, водоцементного отношения и т.д. При одной и той же степени гидратации может формироваться структура цементного камня с различными соотношениями размеров и типа пор (замкнутой или открытой).
Тепловыделение при гидратации тампонажного цемента.
Определенную роль в изменении теплового режима скважины в период ОЗЦ играют величина тепловыделения тампонажного материала и его теплофизические свойства. Колебания температуры в гидратирующем цементе обусловлены физико-химическими превращениями, которые характеризуют интенсивность реакций, их глубину и физическое состояние системы.
Количество тепла, выделяемого 1 кг цемента при схватывании и твердении при температуре 18 °С составляет от 1,5 до 5,5 ккал/ч. Максимум температуры отмечается через 10-13 ч после затворения.
В условиях теплообмена с окружающей средой абсолютная величина колебаний температуры в период ОЗЦ в реальной скважине будет зависеть не только от тепловыделения и теплофизических свойств тампонажного материала, но и от его количества на единицу длины ствола (с учетом замещения бурового раствора), распределения его по кольцевому пространству, условий взаимодействия с пластами.
Высокая скорость тепловыделения при гидратации цемента в растворах может привести к возникновению трещин в цементном камне и способствовать нарушению нормальной работы обсадной колонны.
Положительная роль тепловыделения проявляется при цементировании скважин в районах мерзлоты и зонах к ним примыкающих. Тепловыделение препятствует преждевременному промерзанию цементного раствора.
В зависимости от разности температур и условий окружающей среды может наблюдаться неравномерное распределение температуры в массиве затвердевающего тампонажного камня, следствием чего являются термические напряжения камня и его разрушение.
Термохимические свойства тампонажных цементов существенно зависят от состава и тонкости помола цемента, содержания и химико-минералогического состава наполнителей, химических реагентов и их количества, водоцементного отношения и условий твердения тампонажного раствора и др. С достаточной для практики точностью принимается, что количество тепла, выделяющегося при твердении тампонажного раствора, пропорционально массе образовавшихся в результате гидратации продуктов.
По величине и характеру тепловыделения во времени клинкерные минералы располагаются в следующем порядке: трехкальциевый алюминат, трехкальциевый силикат, четырехкальциевый алюмоферрит, двухкальциевый силикат (в порядке уменьшения).
Эксперименты с портландцементами различного минералогического состава показывают, что их тепловыделение протекает таким образом, что наибольшее количества тепла при комнатных условиях выделяется в первые 3-5 дней. В дальнейшем процесс тепловыделения продолжается медленнее. Весьма пониженным тепловыделением отличаются шлакопортландцементы, при этом скорость тепловыделения определяется свойствами (активностью, тонкостью помола и т.д.) как портландцемента, так и шлака, а также совместным их влиянием на эффект тепловыделения.
.