ЛЕКЦИЯ . Тампонажные материалы для крепления скважин
ЛЕКЦИЯ . Тампонажные материалы для крепления скважин
Содержание
1. Понятие о вяжущих, тампонажном материале, растворе.
2. Тампонажный портландцемент, химико-минералогический состав тампонажного портландцемента.
3. Производство портландцемента.
4. Взаимодействие составляющих портландцемент минералов с водой затворения.
5. Механизм формирования цементного камня.
6. Физико-механические свойства тампонажного раствора (камня), требования к ним.
7. Коррозия цементного камня.
8. Регулирование технологических и изоляционных свойств тампонажных растворов, камня.
9. Перспективные направления улучшения технологических и изоляционных свойств тампонажных растворов и формирующегося из них камня.
Понятие о вяжущем, тампонажном материале, растворе
Достаточно длительный опыт массового бурения глубоких скважин показал, что наиболее эффективным материалом для создания искусственной крепи являются растворы минеральных вяжущих веществ.
В общем случае, минеральными вяжущими веществами называются тонкодисперсные порошки моно- или полиминерального состава, которые при затворении водой или растворами солей способны образовывать коагуляционные и кристаллизационные структуры, обладающие определенной прочностью и долговечностью.
По способности вяжущих веществ образовывать структуру они делятся на три группы:
1. Воздушные вяжущие вещества - это вещества, способные твердеть и. длительно сохранять свою прочность только на воздухе. К этой группе относятся гипсовые, известковые, магнезиальные вяжущие вещества и кислотоупорный цемент. Из них в практике бурения скважин используются гипсовые и магнезиальные вяжущие;
2 Гидравлические вяжущие вещества - это вещества, способные твердеть и длительно сохранять свою прочность, как на воздухе, так и в воде. К этой группе относятся портландцемент и его разновидности, цементы на шлаковой основе, глиноземистые цементы и др.;
3 Вяжущие гидротермального твердения - это вещества, способные образовывать искусственный камень только в гидротермальных условиях (при высоких температурах и давлении). К этому типу относятся известково-кремнеземистые, белито-кремнеземистые, шлакопесчаные составы и др. Все рассмотренные вяжущие относятся к вяжущим гидратационного твердения в отличии от глинистых паст, имеющих коагуляционный характер твердения, и полимерных связующих; имеющих полимеризационное твердение.
Под тампонажным материалом понимают в основном вяжущее с вводимыми для регулирования его технологических свойств добавками. Тампонажный материал, будучи смешанным, с жидкостью затворения, образует тампонажный раствор. Состав тампонажного раствора определяется отношением массы воды затворения к массе тампонажного материала - водотвердым отношением. Добавки в состав тампонажного материала раствора вводятся для регулирования его технологических свойств и изоляционных свойств формирующегося в заколонном пространстве камня.
Тампонажный портландцемент
Портландцементом называется гидравлическое вяжущее вещество, получаемое тонким измельчением портландцементного клинкера с гипсом и другими специальными добавками.
Клинкер получают обжигом до спекания тонкодисперсной однородной сырьевой смеси, состоящей из известняка, глины, кремнезема.
Гипс вводится с целью регулирования, скорости схватывания и некоторых других свойств.
Согласно ГОСТ в портландцемент разрешается вводить при помоле до. 15 % активных минеральных добавок. При этом, название, цемента не меняется
Свойства портландцемента определяются, прежде всего, качеством клинкера.
Историческая справка. Считается, что портландцемент был изобретен в Англии каменщиком Аспидом, который получил патент в 182.4г. Однако в России, портландцемент был получен несколько ранее, в 1817г. начальником военно-рабочей команды Е. Г. Челиевым. В 1825г. им была: издана книга о получении вяжущего вещества, аналогичного по составу применяемому ныне портландцементу.
Твердение портландцемента
При смешении цемента с водой на начальных стадиях твердения в реакцию гидратации интенсивно вступают алюминаты и алюмоферриты кальция, благодаря более высокой константе скорости растворения по сравнению с алитом к белитом. Раствор становится пересыщенным по отношению к конечному продукту и из него на поверхности зерен клинкера и в объеме раствора образуются иглообразные кристаллы гидроалюминатов и гидроферритов кальция различного состава. В общем, виде их состав можно обозначить x CaO y AI2O3 m - Н2О и x СаО y Fe2O3 m Н2O. Значения коэффициентов x, y, mизменяются в различных соотношениях и зависят, главным образом, от термодинамических условий процессов гидратации.
Через некоторое время (3-6 часов) в системе накапливается достаточно много кристаллогидратов и образуются "стесненные" условия, приводящие к образованию коагуляционной структуры, которая по мере накапливания гидроалюминатов переходит в кристаллизационную. Через 6 - 10 часов весь объем между постепенно уменьшающимися зернами цемента заполняется скелетом иглообразных кристаллов - продуктов гидратации алюминатных составляющих клинкера. Эта структура иногда называется алюминатной Цементный раствор, бывший до этого пластичным, начинает терять подвижность и набирать прочность.
В оставшемся объеме одновременно с алюминатной, но со значительно меньшей скорость, возникают продукты гидратации силикатных клинкерных минералов алита т белита, называемые гидросиликатами кальция
Последние образуют чрезвычайно тонкопористый ворс из очень малых кристаллов, так называемую силикатную структуру. Влияние этой структуры на прочность твердеющего цементного камня со временем все более увеличивается. Она уже является собственно носителем прочности цементного камня и приблизительно через 1 сутки начинает преобладать над алюминатной. К месячному сроку в цементном камне обнаруживается практически только силикатная структура. К этому времени процесс гидратации не заканчивается и в ряде случаев может продолжаться годами за счет неиспользованного клинкерного фонда цемента.
Процесс формирования цементного камня является сложным и многообразным. Чтобы получить более полное представление о взаимодействии портландцемента с еодой целесообразно рассмотреть реакции взаимодействия отдельных клинкерных компонентов.
Структура цементного камня
По мере увеличения дисперсной фазы в высокодисперсных системах, формирование структуры сопровождается ее переходом к структурированной системе, затем к гелеобразному состоянию, и наконец, в твердому телу. Образование структурированных систем является обычным следствием сцепления или срастания между собой дисперсных частиц.
Процесс образования структурного каркаса сопровождающийся увеличением его прочности называется структурообразованием. При этом происходит изменение вязкости, пластичности, упругости, прочности. Эти свойства называют структурно-механическими или реологическими.
Структура по предложенийРебиндера классифицируются на коалиционные (тикстропно обратимые) и конденсационно-кристаллизационные (необратимо разрушающиеся).
Коагуляционные структуры образуются при сцеплении частиц
Ван-дер-ваальсовыми силами в звенья, цепочки, пространственные сетки, агрегаты.
Конденсационно-кристаллизационные структуры возникают в результате срастания частиц химическими силами с формированием жесткой структуры. При срастании аморфных частиц образуется структура, называемая конденсационной, кристаллических частиц - кристаллизационной.
Коагуляционные структуры. Агрегатированные частицы достигнув определенного размера образуют коагулят. При вовлечении дисперсионной среды в пространственную сетку агрегирующих частиц имеет место гелеобразование, т.е. переход коллоидного раствора из свободнодисперсного состояния (золя) в связнодисперсное (гель).
Твердообразная текучая коллоидная система с пространственно-сетчатым расположением частиц, ячейки между которыми заполнены дисперсионной средой называетсягелем.
Различают неэластичные (хрупкие) гели и эластичные гели (студни) Первые, впитывая смачивающую жидкость, почти не изменяются в объеме, а, потеряв жидкость,резко изменяют свои свойства, становясь хрупкими. Для них характерно несовпадение кривой обводнения с кривой обезвоживания. Такое расхождение называют, гистерезисом.
Эластичные гели характерны в основном для высокомолекулярных полимеров. Эти гели поглощаютне все смачивающие жидкости, а только те, которые имеют химическое сродство по составу. Поглощение жидкости эластичным гелем сопровождается увеличением объема - набуханием. Дисперсным системам с коагуляционными структурами свойственно явление синерезиса - самопроизвольное уменьшение объема геля с выделением из него дисперсионной среды, находящейся в геле.
Гели, из которых удаленная жидкость способна ими вновь поглощаться, называют ксерогелями.К ним относят и продукты гидратации цемента, например, тобермориты, гидроалюмосиликаты.
Поглощение среды может бытькак за счет капиллярного всасывания, так и за счет расширения структуры геля вследствие расклинивающего давления и заполнения образовавшихся промежутков дисперсионной средой. При этом возможно уплотнение геля за счет перегруппировки частиц, последующее увеличение контактов между частицами и появление кристаллическихмостиков.
Коагуляционные системы в результате механических воздействийспособны к обратимому разрушению и восстановлению структуры, это явление называется: тиксотропией. Оно характерно для глинистых растворов, тампонажных на ранней стадии твердения (явление ложного схватывания). Этот вид схватывания обусловлен взаимодействием поверхностных зарядов противоположного знака, возникающих на частицах гидратирушегося цемента. Его можно предупредить или устранить введением добавок, снижающих водопотребность или замедляющих сроки схватывания. Адсорбция таких добавок приводит к возникновению заряда одного и того же знака на всех гидратных фазах цемента. Ложное схватывание можно устранить и механическим воздействием.
Обратное тиксотропии явление называется дилатансией. Этот процесс выражается в загустевании вследствие механического воздействия. Например, в результате механического воздействия высококонцентрированный раствор жидкого стекла резко загустевает и переходит в твердое тело. Механизм этого явления объясняют изменением структуры дисперсионной среды.
Конденсационно-кристаллизационные структуры формируются в результате образования прочных химических связей между частицами (конденсационные), либо вследствие сращивания кристаллов в процессе возникновения новой фазы (кристаллизационные). Для них характерно отсутствие явлений тиксотропии, пластичности и эластичности, обладают упруго-хрупкими свойствами.
Примером является структура затвердевших минеральных вяжущих. Главным условием образования конденсационно-кристаллизационных структур является растворение безводного вещества и последующее выкристаллизование из пересыщенных растворов гидратных новообразований. Регулирование свойств такой структуры осуществляется степенью пересыщения, дисперсностью исходного материала, длительностью существования периода пересыщения, введением электролитов и ПАВов
Свойства конденсационно-кристаллизационных структур зависят от содержания структурообразующего вещества и от характера воды в кристалле.
Ребиндер П. А. преложил по механизму взаимодействия жидкости с материалом выделять следующие виды связей между ними:
- осмотическую (для набухающих структур);
- физико-механическую, проявляющуюся удержанием воды капиллярными силами в макро- и микропорах материала;
- физико-химическую, обусловленную адсорбционными силами на поверхности материала;
- химическую, при которой вода связана химическими силами в структуре кристалла.
Стокхаузен Н. изучая взаимодействие гелеобразной массы с адсорбированными молекулам воды, пришел к выводу, что можно выделить четыре модификации адсорбированной и капиллярно - конденсированной воды:
1. в капиллярных порах радиусом более 100 мм находится; свободная вода, которая заполняет поры при непосредственном контакте образца с водой ;
2. конденсированная вода в капиллярах 10 ¸ 100 мм обладающая пониженным химическим потенциалом, образуется при высокой относительной влажности 95-100 %;
3. вода конденсированная в порах 3х10 мм при относительной влажности 50-90 %, обладающая структурными свойствами. Замерзает при - 43°С;
4. вода, адсорбированная в виде слоев (с толщиной, не превышающей 2,5 монослоев) не намерзает до температуре - 160°С.
По расположению молекул воды в кристаллических веществах
Дж. Берналом предложена следующая их классификация:
1. Незогидраты - содержат молекулы воды в изолированном виде, или в виде небольших групп, координированных вокруг иона. Они в свою очередь разделены на три группы:
а) структурным элементом является молекула воды (цевлиты), которая может быть обратимо удалена без изменения структуры;
б) часть или все молекулы воды координированы около иона металла. Их число может быть меньше чем координационное число иона относительно воды, равно и больше;
2. Ионогидраты - молекулы воды расположены в виде цепочек. Могут иметь жесткую структуру, в которой молекулы воды образуют столбики и каналы, так и структуру, в которых полимеризованные молекулы связаны друг с другом молекулами воды
Эттрингит додекансульфоновая кислота
3. Филогидраты - молекулы воды расположены слоями. Одна подгруппа имеет фиксированное число молекул воды и определенное расстояние между ними, а у второй эти характеристики изменяются.
4. Техтогидраты - содержат решетки молекул воды в виде каркаса, устойчивого при низких температурах. Они образуют непрерывную фазу, в которую включены другие молекулы или другие ионы. В них положительный ион окружен со всех сторон молекулами воды, атомы водорода которых направлены наружу.
Для полной гидратации цементного зерна необходимо наличие 0,4 кратного количества воды от его массы. При этом только 60 % ее (т.е. 0,25 от массы цемента) связывается химически, остальные (40 % исходной воды) остаются в порах цементного геля в слабосвязанном состоянии. Размер, гелевых пор около 3×10-8 см. Они неизбежны и служат причиной тонкопористого строения гелевой массы. Прихимическом связывании вода претерпевает объемную контракцию, которая составляет около 1/4 ее первоначального объема. Поэтому плотный объем геля (без пор) на такую же величину меньше суммы объемов исходных компонентов цемента и воды. Этот процесс называют усадкой, а освобождавшийся в цементном камне объем - объемом усадки. При твердении цементного камня в водной среде или при высокой влажности рассмотренный объем пор заполняется водой. Таким образом, при полной гидратации цемента получается гель, объем которого примерно на 30 % состоит из пор. Схематически объемные изменения представлены на рис 3.
Рассмотренный случай является идеальным и на практике практически никогда не встречается. Если количество воды будет меньше 0,4 от массы цемента, то ее будет недостаточно для полной гидратации цементных зерен, и в цементном камне останутся непрореагировавшие зерна цемента. При избыточном количестве воды часть ее не участвует в процессе гидратации и образует в камне капиллярные поры диаметром около 10-4 см, которые на несколько порядков больше гелевых пор. Примерно таких же размеров достигают и пустоты, возникающие в результате уже упомянутой усадки. Таким образом, водоцементное отношение (В/Ц) в значительной мере определяет структуру цементного камня и его физико-механические свойства. На рис. представлены объемные соотношения при различных значениях В/Ц и предельно возможной степени гидратации. Можно видеть, что суммарная пористостькамня возрастает с увеличением В/Ц.
Конечно, эти схемы недостаточно строго доказательны, но они позволяют наглядно представить влияние В/Ц на структуру, цементного камня. Дело в том, что при формировании цементного камня не удается достичь полной гидратации клинкерных минералов. Подтверждением этому служат и результаты промысловых исследований. Так, например, в образцах тампонажного камня, извлеченного из затрубного пространства скважины, зацементированной 20-40 лет назад, обнаруживается значительное количество непрореагировавшего цемента. Степень гидратации цементов не превышает 50-60 %. В то же время для обеспечения необходимой подвижности цементных растворов берется избыточное количество воды затворения (В/Ц = 0,5). Учитывая низкую степень гидратации цемента, можно утверждать, что реальное водоцементное отношение достаточно велико, тампонажный камень в затрубном пространстве скважин имеет весьма высокую пористость, причем пористость капиллярную, а поэтому его проницаемость должна быть достаточно высока.
Рис. Гидратация цемента в цементный камень (на примере объемных изменений цементного камня, состоящего из 100г цемента и 40г воды - В/Ц = 0,4)
Рис. Объемные отношения в цементном камне в зависимости от В/Ц. 1 - объем капиллярных пор; 2 - объем усадочных пор; 3 - объем гелевых пор; 4 - масса геля; 5 - неиспользованный цемент.
11. Физико-химические явления, протекающие при твердении
тампонажных растворов
После продавки тампонажного раствора в затрубное пространство он еще длительное время до превращения, в камень находится в жидком состоянии. При длительном пребывании тампонажного раствора в затрубном пространстве в состоянии покоя, кроме отфильтровывания жидкой фазы и гравитационного расслоения, раствор может загрязниться минерализованными агрессивными водами, газом поступающим из пластов. Вплоть до начала затвердевания тампонажный раствор не является преградой для движения флюидов, что приводит к образованию каналов, по которым перетоки продолжаются и после затвердевания.
Тампонажный раствор до схватывания и твердения представляет собой систему из огромного числа различных по форме к размерам частиц, соединенных между собой в скелетную структуру, прочность которой зависит от прочности связей между частицами и их индивидуальных характеристик. Поровое пространство между частицами заполнено жидкостью, которая двигается под действием приложенных к ней сил. В местах, где эти силы превышают прочность связей, происходит местные разрушения структуры. Здесь формируются фильтрационные потоки, которые, прокладывая путь по наиболее слабым местам, имеют сложные неупорядоченные траектории. Твердые частицы, увлекаемые потоками, перемещаясь поступательно, вращаясь и испытывая бесчисленные столкновения, попадают в силу стохастического характера всех этих факторов, в различные условия. Заходя, в поры ненарушенной структуры, они кольматируют их, образуя новые связи. Происходит перераспределение частиц (внутренняя суффозия), которая создает предпосылки для образования в системе участков с пониженной и повышенной пористостью. В зависимости от длительности, интенсивности и характера фильтрационных разрушений участки повышенной пористости могут быть объединены системой каналов различного диаметра, протяженности и конфигурации. При этом тампонажный камень, формирующийся в таких условиях, может оказаться проницаемым для пластовых флюидов.
Постоянно действующие перепады давления, видимо, интенсифицируют эти процессы, и приводят к формированию капилляров большой величины, соединению капилляров в свищи и т.д.
Образованию капилляров способствует и отмеченное рядом советских и зарубежных исследователей существенные снижения гидростатического давления столба цементного раствора при нахожденииего в покое до начала схватывания.
При седиментации твердая составляющая раствора перемещается вдоль неподвижных стенок скважины и колонны. Одновременно в цементном растворе возрастает прочность структурной решётки, следовательно, растут силы взаимодействия с вмещающей средой, и задерживается оседание твердой составляющей. Происходит выход ееиз взвешенного состояния, т.е. твердая составляющая зависает на стенках скважины. Гидростатические давление в скважине будет создаваться не весом раствора, а только весом жидкости затворения. Это будет способствовать поступлению пластового флюида в тампонажный раствор, возникновению в последнем фильтрационных потоков, нарушению его сплошности и т.д.
Таким образом, продолжительное пребывание в затрубном пространстве тампонажного раствора в жидком состоянии нецелесообразно, прежде всего, с точки зрения качества разобщения пластов, и, кроме того, чем дольше тампонажный раствор пребывает в жидком состоянии, тем больше расход календарного времени на ОЗЦ (ожидание затвердевания цемента). Поэтому свойства тампонажного материала должны быть таковыми, чтобы цементный раствор при прочих равных условиях после окончания продавки быстро схватывался и превращался в прочный и малопроницаемый камень.
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.
Требование к ним.
Исходя из основных: функций образующегося в скважине цементного камня и, принимая во внимание особенности технологии процесса цементирования, к тампонажному раствору и формирующемуся из него камню предъявляются следующие требования.
Тампонажный раствор должен легко быть прокачиваемым. Прокачиваемость тампонажных растворов условно характеризуется растекаемостыо по конусу АзНИИ, консистенцией в условных единица, динамическим напряжением сдвига и структурной вязкостью. Плотность цементного раствора должна быть выше плотности промывочной жидкости, вместе с тем давление на стенки скважины при цементировании не должно превышать давление гидроразрыва пласта.
Отделение фильтрата из тампонажного раствора должно бытьминимальным, это диктуется необходимостью предотвратить загрязнение приствольной зоны пласта, преждевременное загустевание раствора.
Тампонажные растворы должны быть седиментационно-устойчивыми, что способствует формированию цементного камня с одинаковой плотностью по всему зацементированному интервалу, снижает вероятность образования каналов в камне и на контактах со стенкой скважины.
Прокачиваемость тампонажного раствора должна сохраняться в течение времени, достаточного для проведения цементирования. После продавливания тампонажного раствора за обсадную колонну, он должен быстро загустевать и схватываться.
Цементный камень должен быть практически непроницаемым. Свойства цементного камня не должны ухудшаться со временем под действием высоких (низких) температур и давлений, а также при воздействии агрессивных по отношению к продуктам твердения пластовых флюидов. При переходе тампонажного раствора в камневидное состояние, не должна происходить его усадка. Тампонажный камень и раствор не должны вступать в физико-химическое взаимодействие с. горными породами и обсадными колоннами, влекущее разрушение и понижение прочности последних.
Указанные свойства цементного раствора (камня) зависит от его вида, жидкости затворения, водотвердого отношения, условий твердения и регулируются добавками-ускорителями и заменителями схватывания, облегчающими добавками, реагентами - пластификаторами и, др.
По ГОСТ 25597-83 тампонажные цементы подразделяются по следующим признакам: вещественный состав цемента; температура применения цемента; платность тампонажного раствора; стойкость к виду агрессивного воздействия; собственны объемные деформации цементного камня.
По вещественному составу тампонажные цементы разделяются на следующие группы: портландцементы без добавок (кроме гипса); портландцементы с минеральными добавками более 20 %, портландцементы со специальными добавками 20 - 30 %; цементы на основе глиноземистого клинкера; безклинкерные цементы.
По температуре (°С) применения тампонажные цементы разделяются на следующие группы:
для низких температур 15
для нормальных температур 15-50
для умеренных температур 50-100
для повышенных температур 100-150
для высоких температур 150-250
для сверхвысоких температур 250
для циклически меняющихся температур
По плотности (кг/м3) получаемого тампонажного раствора тампонажные цементы подразделяются на следующие группы:
легкие 1400
облегченные I400-I650
нормальные I650-I950
утяжеленные 1950-2300
тяжелые 2300
По стойкости к агрессивному воздействию на тампонажный камень пластовых сред тампонажные цементы разделяются на следующие группы: стойкие к сульфатным средам; стойкие к кислым средам; стойкие к магнезиальным средам; стойкие к полимерным средам.
По величине собственных объемных деформаций при твердении: без особых требований; величина линейной деформации после 3 суток твердения до 0,1 % - безусадочные; величина линейной деформации расширения после 3 суток твердения более 0,1 % - расширяющиеся.
В настоящее время для цементирования скважин широко используются тампонажные портландцементы ГОСТ 1581-91 и их разновидности, а также специальные цементы серийно выпускаемые промышленностью.
Тампонажный портландцемент имеет несколько разновидностей, объединенных тем, что содержание в них портландцементного клинкерасоставляет не менее 30 %.
Тампонажные портландцементы делятся на базовые и специальные цементы, серийно выпускаемые промышленностью. Базовые тампонажные портландцементы содержат клинкера не менее 95 % (ПЦТ-ДО) или не менее 75 % (ПЦТ-Д20) и могут применяться как в готовом виде для приготовления тампонажных растворов, так и в качестве основы для приготовления специальных тампонажных цементов.
В ГОСТ 1581-85 введены сокращенные обозначения тампонажных портландцементов: Портландцементная основа ПЦТ; количество добавок указывается приставками: Д0 - бездобавочный; Д20, Д50, Д75 с минеральными добавками соответственно 20, 50 или 75%, нап