Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Обзор современного состояния технологии изоляции затрубного пространства скважины в продуктивных пластах нефтяных скважин 9
1.1. Материалы, используемые для цементирования затрубного пространства скважины 9
1.2. Технология цементирования продуктивных пластов 13
1.3. Методы перфорации при вторичном вскрытии продуктивных пластов 16
1.4. Методы улучшения физико-механических свойств цементного камня 21
1.5. Выводы и постановка цели и задач исследования 41
ГЛАВА II. Методика проведения исследований 43
2.1. Теоретические исследования 43
2.2. Экспериментальные исследования 43
2.3. Обработка результатов экспериментальных исследований 46
ГЛАВА III. Экспериментальные исследования свойств полимерцементных тампонажных суспензий и цементного камня для вторичного вскрытия продуктовых пластов 50
3.1. Постановка задач экспериментальных исследований 50
3.2. Исследования реологических, фильтрационных и физико-механичеких свойств полимерцементных тампонажных смесей 51
3.3. Исследование деформационных процессов в цементном камне при проведении перфорации 67
3.4. Анализ влияния вибрационного воздействия на процессы твердения и свойства тампонажных смесей 73
3.5. Исследования влияния повышенной температуры и агрессивного воздействия на свойства полимерцементного раствора и камня 85
Выводы по главе 3., 107
ГЛАВА IV. Исследования влияния вибрационного поля на процессы твердения и структурно-текстурные особенности формирования полимерцементного камня 108
4.1. Анализ влияния вибрации на характер формирования поровой текстуры цементного камня 108
4.2. Анализ влияния реагентов-пластификаторов на структуру цементного камня 115
4.3. Анализ процессов фильтрации жидкости затворения при виброобработке исходной полимерцементной тампонажной суспензии 120
Выводы по главе 4 126
ГЛАВА V. Опытно-производственная оценка эффективности цементирования обсадных колонн полимерцементными смесями 127
5.1. Опытно-производственные испытания полимерцементных составов при цементировании обсадных колонн на объектах ООО «Красноярское буровое предприятие» 127
5.2. Производственное применение технологии виброобработки на объектах Азнакаевского УБР ОАО "Татнефть" 129
5.3. Обоснование целесообразности применения предложенных реагентов-пластификаторов в тампонажных смесях совместно с технологией виброобработки в зоне перфорационных работ при прострелочно-взрывных работах (ПВР) 132
5.4. Экономическая оценка предложенным разработкам 133
Выводы по главе 5 138
Общие выводы и рекомендации 139
Список использованной литературы 141
Приложение!
- Методы перфорации при вторичном вскрытии продуктивных пластов
- Обработка результатов экспериментальных исследований
- Исследование деформационных процессов в цементном камне при проведении перфорации
- Анализ процессов фильтрации жидкости затворения при виброобработке исходной полимерцементной тампонажной суспензии
Введение к работе
Актуальность темы: Цементирование нефтяных и газовых скважин - наиболее ответственный этап их строительства. Особая важность и значимость операций по цементированию обусловлена тем, что неудачи при их выполнении могут свести на нет результаты работ на предшествующих этапах строительства скважины.
Низкое качество межпластовой изоляции скважин сокращает сроки их службы, приводит к большим затратам на ремонтно-восстановительные работы. При низком качестве крепи в затрубном пространстве возникают межпластовые перетоки флюидов, вследствие чего ухудшается качество добываемого углеводородного сырья.
Наиболее опасным для цементного кольца крепи является проведение пулевой и кумулятивной перфорации, при которых деформация цементного камня сопровождается образованием зазора между обсадной колонной и цементным кольцом в заколонном пространстве, а также его растрескиванием не только в зоне перфорации, но и над ней.
В связи с этим главными задачами исследования являются исследование и разработка составов полимерцементных смесей и технологии цементирования обсадных колонн, обеспечивающих снижение негативного влияния перфорационных работ при вторичном вскрытии продуктивных пластов.
Значительный вклад в развитие научных представлений о процессах твердения тампонажных растворов внесли отечественные и зарубежные исследователи Ашрафьян М.О., Булатов А.И., Бутт Ю.М., Гайворонский А. А., Данюшевский В.С., Дон Н.С., Каримов Н.Х., Кравченко И.В., Круглицкий Н.Н., Крылов В.И., Кузнецова Т.В., Любимова Т.Ю., Мчедлов-Петросян О.М., Мирзаджанзаде А.X., Полак А.Ф., Ребиндер П.А., Титков Н.И., Шищенко Р.И., P.W. Brown, J.D. Birchell и др.
Техника и технология повышения качества цементирования скважин приобрели существенное развитие благодаря разработкам таких ученых как: Ф.А. Агзамов, А.А. Клюсов, А.Т. Кошелев, Ю.С. Кузнецов, М.Р. Мавлютов, Н.И. Николаев, Д.Ф. Новохатский, В.П. Овчинников, В.Н. Поляков, Л.И. Рябова, С.А. Рябоконь, Г.М. Толкачев, З.З. Шарафутдинов и др.
Актуальность темы подтверждается ее соответствием плану госбюджетных НИР кафедры технологии и техники бурения скважин и хоздоговору № 15/2003.
Целью работы является повышение качества изоляции затрубного пространства скважины полимерцементными смесями в интервалах перфорации ее крепи.
Идея работы заключается в направленном регулировании времени начала проведения перфорационных работ за счет введения композиции полимерных смесей в тампонажную суспензию, с последующей вибробработкой в зоне продуктивного пласта.
Задачи исследования:
анализ материалов и реагентов, используемых при тампонировании скважин, а также современного состояния технологии их цементирования с оценкой факторов, влияющих на качество межпластовой изоляции;
исследование реологических и физико-механических свойств и разработка составов полимерцементных тампонажных смесей на основе минеральных вяжущих веществ с добавками поверхностно-активных веществ (ПАВ) различной молекулярной массы;
оценка влияния вибрации на физико-механические свойства полимерцементного камня;
исследования вибрационного воздействия на процессы фильтрации жидкости затворения полимерцементного тампонажного раствора;
электронно-микроскопические исследования кристаллизационной структуры и поровой текстуры полимерцементного тампонажного камня.
Методика исследований носила экспериментально-теоретический характер и включала в себя комплекс экспериментальных работ по исследованию свойств полимерцементного тампонажного камня, а также оценке влияния вибрации на реологические и физико-механические характеристики полимерцементной смеси. Планирование экспериментов и обработка их результатов проводились с использованием методов математической статистики и современных статистических компьютерных программ.
Научная новизна работы заключается в новом методическом подходе к решению задач вторичного вскрытия продуктивных пластов, базирующемся на управлении процессом формирования крепи в затрубном пространстве посредством вибрационного воздействия на твердеющую тампонажную суспензию; установлении факторов, контролирующих основные физико-механические свойства тампонажных материалов, модифицированных азотосодержащими неионогенными и ионогенными ПАВ; обосновании времени проведения перфорационных работ на стадии перехода коагуляционной структуры полимерцементной смеси в кристаллизационную.
Защищаемые научные положения:
-
Целостность тампонажного камня, а также его сцепление с обсадной колонной могут быть обеспечены при проведении перфорационных работ при вторичном вскрытии продуктивных пластов в период перехода коагуляционной структуры тампонажной суспензии в кристаллизационную структуру камня.
-
Управление регологическими и фильтрационными характеристиками тампонажных смесей на основе минеральных вяжущих веществ введением в их состав композиций низкомолекулярных и высокомолекулярных соединений (до 0,2%) и виброобработкой при частоте 50Гц и амплитуде до 3мм, способствует повышению качества цементирования обсадных колонн за счет увеличения прочности и адгезионных показателей цементного камня и уменьшения его пористости.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций определяется современным уровнем аналитических и достаточным объемом экспериментальных исследований, высокой степенью сходимости их результатов и воспроизводимостью полученных данных.
Практическая значимость работы заключается в разработке составов полимерцементных смесей для цементирования скважин в зоне продуктивных пластов и технологии их применения при бурении нефтяных и газовых скважин. Разработанные составы опробованы при строительстве скважин на производственных объектах ООО «Красноярское буровое предприятие».
Апробация работы. Основные положения, результаты теоретических и экспериментальных исследований, выводы и рекомендации докладывались на ежегодных научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых Санкт-Петербургского государственного горного института (Санкт-Петербург, 2004, 2005, 2006г.г.); XIV Международной конференции по науке и технике (Польша, Краковская горно-металлургическая академия, 2004 год); на V международной научно-технической конференции, «Науковый вистник» (Национальный горный университет, Украина, 2004г.); V юбилейной межрегиональной молодежной научной конференции «Севергеоэкотех-2004» (Воркута, Воркутинский горный институт, 2004г.); научном симпозиуме студентов, аспирантов и молодых ученых «ПРОБЛЕМЫ ГЕОЛОГИИ И ОСВОЕНИЯ НЕДР» (Томск, Томский политехнический институт, 2004г.); VI межрегиональной молодежной научной конференции «Севергеоэкотех-2005» (Воркута, Воркутинский горный институт, 2005г.); IV межрегиональная научно-практическая конференция «Освоение минеральных ресурсов севера» (Воркута, Воркутинский горный институт, 2006г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе тезисы двух докладов.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка, включающего 110 наименований. Материал диссертации изложен на 147 страницах, включает 18 таблиц, 57 рисунков и 1приложение.
Методы перфорации при вторичном вскрытии продуктивных пластов
Для цементирования нефтяных и газовых скважин используется цементный раствор- смесь вяжущих материалов (цементов), затворенная определенным количеством воды, часто с добавками химических реагентов. В связи с тем, что на данный момент есть растворы, твердая фаза которых представлена не только портландцементом, более правильно называть их тампонажными растворами.
В качестве тампонажных материалов чаще всего используют специальные марки цементов. В последние годы расширяется применение полимерных материалов и некоторых смол, способных затвердевать со временем в затрубном пространстве.
Тампонажные материалы классифицируются по следующим признакам: составу клинкера, температуре применения, средней плотности приготовляемых из них растворов, устойчивости образующихся камней к воздействию агрессивных пластовых вод, объемным деформациям при твердении. Так, в зависимости от состава клинкера эти материалы подразделяют на 3 группы: - цементы на основе портландцементного клинкера; - цементы на основе глиноземистого клинкера; - бесклинкерные цементы.
Тампонажные материалы, используемые для разобщения проницаемых пластов, должны удовлетворять ряду требований [30, 31 ]: - суспензия такого материала должна быть легко прокачиваемой в течение времени, необходимого для транспортирования ее в данный интервал скважины, а в покое- седиментационно устойчивой; - по окончании транспортирования в скважину суспензия в короткий срок должна превратиться в практически непроницаемое твердое тело, даже если температура окружающей среды ниже 0С; - суспензия должна превращаться в твердое тело с небольшим увеличением объема или по крайней мере без усадки в условиях конкретной ситуации в скважине; - образовавшийся из суспензии цементный камень должен обладать высокой пластической прочностью, быть долговечным, стойким против коррозии при контакте с пластовыми жидкостями или газами; - это твердое тело должно сохранять свои механические свойства, непроницаемость и коррозионную стойкость при всех изменениях температуры, которые возможны в период работы данной скважины; - оно должно иметь сплошной контакт с обсадной колонной и стенками скважины и прочность достаточные, чтобы противостоять тем силам, которые могут возникнуть в период работы скважины; - тампонажные материалы должны быть недефицитными и сравнительно недорогими, поскольку потребность в них довольно велика; - если тампонажный материал используют для создания перемычки (моста) в скважине, образующийся из его суспензии камень должен обладать большой прочностью и жесткостью.
В зависимости от температуры применения различают цементы для низких (ниже 15С), нормальных (от 15до 50С), умеренных (от 50 до 100С), повышенных {от 100 до 150С), высоких (выше 250) и циклически меняющихся температур.
В зависимости от средней плотности раствора, который может быть приготовлен из тампонажного цемента, их подразделяют на легкие (менее 1400 кг/м3), облегченные (от 1400 до 1650 кг/м3), нормальные (от 1650 до 1950 кг/м3), утяжеленные (от 1950 до 2300 кг/мЗ) и тяжелые (более 2300 кг/м3). По устойчивости к агрессивному воздействию пластовых вод тампонажные цементы классифицируют на сульфатостоикие, стойкие по отношению к кислым (углекислым и сероводородным) водам, к магнезиальным и к водам полиминерального состава, а также цементы для применения в условиях отсутствия агрессивного воздействия пластовых жидкостей.
Наибольшее распространение в отечественной практике получили цементы на основе портландцементного клинкера (тампонажные портландцементы) и бесклинкерные (в основном на основе молотых гранулированных шлаков).
Портландцемент. Это порошок определенного минералогического состава, водная суспензия которого способна затвердевать как на воздухе так и в воде. Компонентами, которые наиболее активно взаимодействуют с водой и способствуют относительно быстрому затвердеванию тампонажного раствора и быстрому росту прочности камня в раннем возрасте, являются алюминат и алит; наименее активным вяжущим компонентом является белит, но именно он определяет конечную прочность портландцементного камня.
Шлаковые цементы. Основу их составляют молотые гранулированные металлургические шлаки. Тампонажные цементы, полученные путем совместного помола доменного шлака, кварцевого песка и портландцементного клинкера, выпускаемые под шифром ЩГЩС-120 используют для цементирования скважин с температурой от 80 до 160 С; портландцемент здесь играет роль ускорителя реакций взаимодействия тампонажного порошка с водой. Для более высоких температур (160-250С) используют шлакопесчаные цементы совместного помола шлака и песка, без добавки клинкера.
Белито-кремнеземистый цемент получают путем совместного помола материалов, содержащих преимущественно двухкальциевый силикат, и кварцевого песка. Это цемент можно использовать при температурах от 150-300С. Глиноземистые цементы. Глиноземистые цементы получают путем обжига до спекания и последующего помола смеси боксита и карбоната кальция. Основным минералом, обеспечивающим вяжущие свойства этих цементов, является однокальциевый алюминат СаОА120з содержание которого может достигать 50%. Цементные растворы на основе таких добавок могут быть использованы для крепления скважин при температуре от-30до50С. [7,40, 86]
Облегченные цементные смеси. Плотность растворов, получаемых из базовых цементов варьируется в диапазоне от 1800-2000 кг/м . Облегченные цементные смеси предназначены для приготовления тампонажных растворов с существенно меньшей плотностью. Общим недостатком облегченных смесей является то, что с уменьшением плотности тампонажного раствора снижается также прочность образующегося из него камня и возрастает проницаемость.
Обработка результатов экспериментальных исследований
Проникание кумулятивных струй в стенки скважины опережает по времени действие продуктов детонации. Вокруг кумулятивной струи при ее движении в жидкости создается волна сжатия с коническим фронтом, которая подходит к внутренней стенке трубы под различными углами в зависимости от времени и места встречи фронта волны со стенкой.
В случае корпусного кумулятивного перфоратора удары продуктов детонации с осколками оболочки заряда вызывают сильные волны напряжений в стенке корпуса перфоратора, которые, однако, преломляясь в окружающую жидкость, доходят до обсадной колонны в ослабленном состоянии. Вслед за кумулятивной струей и летящим за ней пестом через гнездовое отверстие в корпусе перфоратора типа ПК {или пробитое отверстие в стенках перфоратора типа ПКО) в окружающую среду истекают продукты детонации зарядов, причем интенсивность их истечения сильно зависит от противодавления со стороны внешней среды. Пульсация полостей в жидкости, созданных кумулятивными струями и вытекающими из перфоратора продуктами детонации, может привести к деформации обсадной колонны. Эксперименты и практика показывают, что при перфорации на малых глубинах даже корпусными перфораторами возможны нарушения не закрепленных или слабо закрепленных цементом обсадных колонн.
В случае бескорпусного кумулятивного перфоратора основное воздействие на обсадную колонну оказывают волны сжатия, создаваемые в окружающей жидкости расширяющимися продуктами детонации и разлетающимися осколками оболочек зарядов, а также последующая пульсация возникших в жидкости полостей с сопровождающими их гидропотоками. Трещины и другие нарушения в обсадной колонне и затрубном цементном слое в большинстве случаев зарождаются у отверстий перфорации, являющихся концентраторами напряжений, или у ранее созданных дефектов и нарушений в трубах и затрубном цементном камне. При групповом отстреле зарядов их взаимодействие усиливает импульсивные нагрузки на обсадную колонну тем сильнее, чем ближе расположены заряды друг к другу и к колонне. б) Пулевой перфоратор спускается на каротажном кабеле в продуктивный пласт и, замыкая электрическую цепь на поверхности, осуществляется выстрел. Глубина отверстия в пласте при этом 50 - 80 мм. При пулевой перфорации после проникания в стенки скважины пуль за ними устремляется поток пороховых газов, вследствие чего в окружающей жидкой среде происходит затухающая пульсация созданных полостей. Пробитые отверстия служат концентраторами напряжений, тем более что вокруг них имеется изобилие начальных микротрещин. В результате в обсадной трубе и цементном слое могут возникнуть трещины, берущие начало от пробитых пулями отверстий. Многие пули не пробивают стенку колонны или застревают в цементном стакане. При этом могут образовываться трещины в пласте после прострела, за счет чего возможны перетоки воды в нефтяной пласт, поэтому эта перфорация несовершенна.
в) Торпедный перфоратор, в нем вместо пуль вставлены разрывные снаряды диаметром 22 - 110мм. Различают фугасные (ненаправленного действия) и кумулятивные (направленный взрыв) торпеды. Спускаются также на каротажном кабеле. И после выстрела снаряды взрываются. Снаряды пробивают обсадную трубу, проникают в продуктивный пласт на глубину 200мм, где образуются трещины, за счет чего нефть или газ поступают к забою скважин. Как недостаток этого вида перфорации, можно отметить то, что во время взрыва возможны сильные нарушения обсадных колонн, НКТ и цементного камня в случаях преждевременных разрывов пуль в колонне и цементном слое или вскрытии пластов, сложенных из твердых пород, когда проникание пули мало и она разрывается на границе ствола скважины. Этот метод также несовершенен.
г) Гидропескоструйная перфорация. Существует гидропескоструйный перфоратор, который состоит из тонкостенного корпуса, в который ввинчивается до 10 насадок из абразивностойкого материала. Диаметр отверстий 3-6 мм. Перфоратор спускается на НКТ и устанавливается против продуктивного пласта, В НКТ бросают шар, который закрепляет сквозное отверстие перфоратора, затем насосными афегатами через НКТ закачивают жидкость с кварцевым песком. При выходе из насадок жидкость с песком создают определенную скорость, которая разрушает колонну, цементный камень и породу продуктивного пласта. Глубина отверстий при этом равна 400-700мм. Самое главное - не нарушается цементный камень за колонной. Диаметр песчинок равен 0,3-0,8мм. Концентрация песка в воде - 100 фамм на литр. При перфорации на устье скважины создается давление равное 40МПа. Темп закачки 3-4 литра в секунду на одну насадку. Объемная скорость струи в насадке 200-300 м3/сутки. Продуктивность гидропескоструйной перфорации 1 интервала - 20-25 мин. Затем перфоратор поднимается, устанавливается на новый интервал и операция повторяется. К недостаткам такого метода, как показали исследования [9, 57, 66,], можно отнести то, что пробивная способность ГПП в отличие от кумулятивной перфорации заметно падает (длина канала в 2 раза, а диаметр в 1,3 раза) с повышением гидростатического давления в окружающей среде до 5—10 МПа, что можно объяснить прекращением процесса кавитации в струе жидкости при более высоких давлениях [9].
Использование абразивного материала ведет к преждевременной коррозии и износу металла НКТ и рабочих элементов насоса, длительность процесса перфорации заметно увеличивает стоимость работ [51], в процессе перфорирования отверстий в пласте кальматируется поровое пространство, тем самым происходит засорение фильтрационного канала [51,57], эффективное применение ГПП по глубине скважины офаничено до 4 км вследствие увеличения потерь давления в колонне насосно-компрессорных труб и предельных возможностей насосных афегатов по созданию необходимого давления. Таким образом, большинство описанных выше путей повышения эффективности и расширения области использования ГПП связано с созданием дорогостоящего, громоздкого оборудования и устройств или с применением сложной технологии и дефицитных материалов.
Метод гидромеханической щелевой перфорации рассчитан на создание в колонне эксплуатационной скважины и породе пласта 2-х ассиметричных щелей глубиной более 3-х диаметров колонны скважины с одновременным воздействием высоконапорной струей промывочной жидкости на цементное кольцо и горную породу. За счет большой длины перфорационного отверстия достигается увеличение дебита скважины, а также минимальное механическое воздействие на целостность крепи скважины. Основным недостатком является небольшая глубина работы перфоратора, вследствие потери напора жидкости из-за увеличения расстояния между насосом и перфоратором в скважине.
д) Сверлящая перфорация. Основным преимуществом сверлящей перфорации является минимальное воздействие при проведении вторичного вскрытия на обсадную колонну и цементный камень, так как создание перфорационных каналов происходит в щадящем режиме без ударного воздействия, исключающим деформацию и разрушение обсадных труб, трещинообразование в цементном кольце и ухудшение фильтрационных характеристик горных пород в прискважиннои зоне пласта. К недостаткам этих перфораторов относятся большие затраты времени на сверление каналов и малая глубина перфорационных каналов (не более 90 мм), что не всегда может обеспечить наличие хорошей гидросвязи скважины с пластом и как следствие значительные гидродинамические потери в прискважиннои зоне пласта.
Исследование деформационных процессов в цементном камне при проведении перфорации
Ввод реагента поливинилпироллидон в полимерцементную смесь позволяет снизить явление пеногасителя (см. рис.3.8), и, по сравнению с базовым тампонажным раствором менее интенсивно набирает прочность, а по истечению 28 суток значение прочности на изгиб на 50% больше по сравнению с обычной тампонажной суспензией.
Известно, что качественная изоляция продуктивных горизонтов и крепление стенок скважины зависит не только от прочности цементного камня, но и от сцепления твердеющего тампонажного раствора и камня с горными породами и металлом обсадных труб.
Эксперименты по исследованию прочности сцепления тампонажного камня с металлом (адгезия) показали, что полимер катамин, введенный в тампонажую смесь, увеличивает силу сцепления на 133% (табл.3.4) и (рис.3.9) по сравнению с базовым портландцементным камнем, а пеногаситель Т-66 значительно снижает адгезионные свойства крепи.
Анализ литературных материалов по качеству межпластовой изоляции продуктивных горизонтов показывает, что нарушение герметичности крепи происходит вследствие хрупкого разрушения схватившегося цементного камня при проведении пулевой и кумулятивной перфорации. Таким образом, задача выявления времени проведения перфорационных работ, при которых отрицательное динамическое влияние прострелочных работ не сказывалось на целостности цементного камня, является особенно актуальной. Так, при анализе кинетики набора прочности тампонажной смеси, были выявлены три стадии (см. рис. 3.1) при которых наблюдались различные реакции тампонажной системы на разрушающее воздействие пулевой перфорации. I стадия- это период набора когуляционной структуры цементного раствора; II стадия- время перехода коагуляционной структуры цементной смеси в кристаллизационную; III стадия- стадия кристаллизации и набора прочности цементного камня. Проведенные экспериментальные исследования по определению времени проведения вторичного вскрытия, показали, что на 1-ой стадии набора пластической прочности у исходной тампонажной суспензии наблюдается затекание перфорационного отверстия (см. рис.3.10 и рис.3.11).
На Н-стадии набора прочности тампонажной смеси, когда система переходит из коагуляционной структуры и в кристаллизационную, при перфорации наблюдается четкое отверстие, не затекающее цементным раствором и свободной водой, сама тампонажная система не разрушается из-за того, что находится в пластичном состоянии (рис.3.11).
Как видно из рис. 3.11, на Н-ой стадии перехода цементной смеси из коагуляционной структуры в кристаллизационную, вода практически вся поучаствовала в гидратации цементного клинкера, и после вторичного вскрытия перфорационные отверстия не затекают тампонажной суспензией. В добавок, не имея кристаллической решетки на данной стадии, тампонажная система обладает пластичными свойствами. Анализируя поведение тампонажного камня после пулевой перфорации, можно сделать вывод о том, что на Ш-стадии цементный камень хрупко разрушается, образуя трещины, исходящие от перфорационного отверстия, по которым впоследствии могут перетекать пластовые флюиды в вышележащие пласты (рис.3.12). Из проведенных экспериментальных исследований видно, что вторичное вскрытие следует проводить в период, когда тампонажная суспензия набирает пластическую прочность, т.е. на стадии перехода тампонажного раствора в камень. Однако время набора пластической прочности обычного тампонажного портландцементного раствора слишком мало, и его зачастую не хватает для того, чтобы спустить перфоратор и провести вторичное вскрытие. Рис.3.12. Перфорационное отверстие тампонажного камня на Ш-стадии твердения (15 часов твердения)
Делая анализ экспериментальных исследований влияния реагентов -пластификаторов катамина и поливинилпироллидона на тампонажную суспензию, можно утверждать, что ввод в смесь вышеперечисленных поверхностно-активных веществ увеличивает время набора пластической прочности (а именно П-ой стадии) цементного раствора, при котором тампонажная система не разрушается.
Результаты исследования параметров пластической прочности показывают, что тампонажная суспензия, в составе которой содержится катамин, увеличила время набора коагуляционной структуры по сравнению с исходным тапонажным раствором на 8 часов, и сохраняет свои пластичные свойства боле 16 часов. Ввод в систему композиции реагентов катамин и поливинилпироллидон, увеличивает время набора пластической прочности тампонажной суспензии по сравнению с исходной цементной смесью до 17 часов.
Так как реагент катамин увеличивает время набора пластической прочности цементной смеси, то Н-я стадия ее твердения наступает через 10 часов (рис.3.12) и спустя 28 часов с момента начала твердения тампонажного раствора наблюдается хрупкое разрушение камня (рис.3.14).
Анализ процессов фильтрации жидкости затворения при виброобработке исходной полимерцементной тампонажной суспензии
Анализ этих исследований позволил оценить влияние вибрации на пористость цементного камня и, соответственно, на состояние крепи скважины. Пористость определяет такие свойства как прочность, проницаемость, устойчивость к воздействию агрессивных пластовых флюидов и т.д. Вид соединений, слагающих цементный камень, последовательность их образования также влияют на поровую структуру камня.
Цементный камень образован частицами вяжущего или наполнителя, связанными между собой продуктами гидратации. При неограниченном поступлении воды из внешней среды поры цементного камня заполнены водой. Если цементный камень не содержит инертного наполнителя и процесс гидратации прошел полностью, то твердая фаза цементного камня состоит только из продуктов гидратации.
Пористость цементного камня обусловлена уже тем, что для получения прокачиваемой консистенции необходимо брать обычно более 40% воды (по массе), а химически связывается только 20-25%. Однако, если цемент затворить только тем количеством воды, которое будет полностью химически связано в процессе гидратации, то и в этом случае цементный камень будет обладать некоторой минимальной пористостью. Дело в том, что продукты гидратации кристаллизуются большей частью в виде образований, вытянутых в одном направлении - в виде нитей, лент, игл. Плотная упаковка таких образований невозможна, они создают тонкопористую систему, напоминающую войлок [70,84]. Нити, ленты, иглы, образующие этот «войлок», соприкасаются между собой большим числом точек, во многих местах соприкосновения образуется химическая связь.
Эта войлокообразная масса представляет собой цементный гель, удельный объем которого, включая поры, составляет 0,5-0,6 см3/г [84]. Это означает, что каждая частица негидратированного цемента образует количество геля по объему в 2 - 2,2 раза превышающее объем исходной частицы.
Если все частицы исходного цемента полностью прогидратировались, то, как отмечает Пауэре с Бирчелом [102], при В/Ц - 0,36 - 0,38 весь цементный камень будет представлять собой цементный гель с пористостью 35%. Если при затворении взять В/Ц = 0,5, то, помимо гелевых пор, в цементном камне образуются значительно более крупные, так называемые капиллярные поры. Размер и количество пор зависят от водоцементного соотношения. Однако если начальное водоцементное соотношение меньше, чем 0,36 - 0,38, то полная гидратация не достигается, так как более плотная упаковка частиц гидратных новообразований (при обычном составе цемента) невозможна. В этом случае цементный камень всегда содержит негидратированные частицы с минимальной пористостью 30-35%. Капиллярные поры в таком цементном камне отсутствуют.
Из приведенной выше схемы структуры цементного камня следует, что тампонажная система образуется в результате склеивания частиц исходного вяжущего цементным гелем. При затворении цемента достаточным количеством воды, образуется суспензия, в которой частицы сначала образуют лишь коагуляционную структуру. В такой суспензии при В/Ц = 0,5 60% по объему занимает вода и лишь 40% - твердая фаза. Такая суспензия легко подвижна. В ходе процесса гидратации каждая единица объема исходного цемента образует 2 - 2,2 единицы объема геля. Большая часть свободной воды связывается химически в продуктах гидратации и физически - в порах цементного геля. Оставшаяся свободной вода заполняет капиллярные поры. Чем меньше будет эта оставшаяся капиллярная пористость, тем выше будет прочность цементного камня при прочих равных условиях.
Прочностные характеристики тампонажного камня являются определяющими при разработке составов цементных смесей и способов цементирования обсадных колонн. Одним из существенных моментов при этом надо считать скорость нарастания механической прочности тампонажного камня в начальные сроки твердения. Прочность тампонажных материалов на разных стадиях твердения является функцией количества вяжущего вещества в объеме образца и обычно выражается аналитически как некая функция объемной концентрации твердой фазы материала К, и соответствующей пористости Ур, причем ys + Ур \ [40].
Известно [25,45,68], что прочность затвердевшего цементного теста быстро снижается с увеличением пористости. Поскольку поры не только уменьшают эффективное сечение материала, воспринимающего нагрузку, но и являются концентраторами напряжений, то увеличение пористости не прямо пропорционально снижает прочность.
Несмотря на то, что при рассмотрении вопросов прочности структуры цементного камня в последнее время наметилось несколько различных направлений (А.Ф. Полак, М.Ю. Больший, К. Шиллер, Т. Пауэре и др.), большинство ученых сходятся во мнении, что все факторы, влияющие на прочность (возраст, водоцементное отношение, удельная поверхность, состав клинкера и т.д.) оказывают это влияние не непосредственно, а через влияние на пористость [S, 45].
Поскольку капиллярные поры могут быть заполнены только цементным гелем, то прочность цементного камня должна быть функцией концентрации цементного геля в единице объема цементного камня и прочности самого цементного геля.
Если через т обозначить степень гидратации цемента в долях единицы (отношение количества прогидратированного цемента к исходному), то объем негидратированных частиц в данный момент будет равен:
