Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор современных методик и работ по созданию тампонажных составов для предупреждения межколонных и устьевых проявлений 11
2. Анализ промысловых данных по астраханскому ГКМ
2.1. Динамика изменения межколонных давлений и состава проявляющего флюида 28
2.2. Анализ конструкции скважин и составов цементных суспензий, применяемых для крепления промежуточных и эксплуатационных колонн проявляющих скважин 37
2.3. Оценка качества сцепления цементного камня с обсадной колонной по данным геофизических исследований 38
3. Проектирование и разработка рецептур тампонажных составов для предупреждения межколонных и устьевых проявлений
3.1. Оценка стабилизирующих свойств реагентов методом седимен-тационного анализа 62
3.2. Разработка рецептур тампонажных материалов с пониженной водоотдачей 71
3.3. Методы оценки качества цементного камня и адгезии камня к обсадной трубе
3.3.1. Оценка качества цементного камня и зоны контакта по газопроницаемости 96
3.3.2. Стендовые испытания натурных образцов 113
3.4. Изучение влияния структурообразователей на устойчивость цементного камня к воздействию коррозионной среды 119
4. Обобщение результатов теоретических и экспериментальных исследований. разработка математической модели процесса сероводородной коррозии
4.1. Теоретические и экспериментальные исследования стойкости цементов к сероводороду 143
4.2. Рентгеноструктурный анализ 148
4.3. Люминесцентный анализ 149
4.4. Математическая модель процесса сероводородной коррозии 152
5. Сведения об испытаниях и внедрении комплексных реагентов 159
Основные выводы и рекомендации 161
Список использованной литературы
- Анализ конструкции скважин и составов цементных суспензий, применяемых для крепления промежуточных и эксплуатационных колонн проявляющих скважин
- Оценка качества сцепления цементного камня с обсадной колонной по данным геофизических исследований
- Методы оценки качества цементного камня и адгезии камня к обсадной трубе
- Люминесцентный анализ
Введение к работе
Актуальность проблемы. Крепление скважин и разобщение пластов является ответственным этапом их строительства. Некачественное разобщение пластов часто становится основной причиной осложнений в период эксплуатации скважин. Особо актуальна проблема обеспечения герметичности межколонного пространства скважин для газовых и газоконденсатных месторождений, пластовым флюид которых содержит агрессивные компоненты - сероводород, углекислоту.
Анализ промысловых данных показывает, что возрастает количество < разрабатываемых сероводородсодержащих месторождений и число скважин, в которых зафиксированы межколонные флюидопро-явления..
Появление в межколонном пространстве флюида со значительным содержанием коррозионно-активных компонентов (H2S и С02) приводит к коррозионному разрушению обсадных труб, тампонажного материала, т.е. создается серьезная экологическая угроза. Примером может быть Астраханское ГКМ.
Для обеспечения экологически безопасных условий эксплуатации скважин АГКМ необходимо предупредить и ограничить интенсивность межколонных перетоков флюида путем совершенствования технологий изоляции пластов, повышения качества и коррозионной стойкости тампонажных материалов, прежде всего за счет их свойств, гарантирующих невозможность фильтрации флюида через цементный камень и по зоне контакта «камень - обсадная труба».
Целью работы является повышение качества разобщения пластов в сложных горно-геологических условиях для обеспечения экологической безопасности путем исключения возможности миграции пластовых флюидов по межколонному и заколонному пространствам.
Цель может быть достигнута путем разработки и совершенствования рецептур тампонажных суспензий.
Основныезадачиработы:
-
Анализ качества крепления с использованием данных ГИС для всех видов обсадных колонн в скважинах, имеющих межколонные и устьевые проявления.
-
Разработка методов оценки качества разобщелия-пластов.
РОСИАШЮНАЛЬНМІ, ВНБЛИОТЄКА СД1тр«ГР'^/ \
-
Разработка и исследование рецептур тампонажных составов на основе портландцемента, содержащих комплексные реагенты, которые модифицируют фильтрационные свойства суспензии и позволяют формировать безусадочный непроницаемый коррозионно-стойкий тампонажный камень.
-
Исследование механизма структурообразования тампонажного камня в период гидратации с реагентами-пластификаторами и стабилизаторами.
5. Практическая реализация результатов разработок.
Научная новизна.
-
Установлены значимые для обеспечения качества разобщения пластов величины: литологическое строение цементируемого интервала, состав и свойства темпонажного материала. Проведена относительная оценка качества цементирования с использованием математических методов.
-
Разработаны новые комплексы реагентов-модификаторов, позволяющих сформировать на основе портландцемента непроницаемый тампонажный камень, устойчивый к коррозионному воздействию.
-
Исследованы механизмы структурообразования тампонажных материалов в присутствии реагентов - модификаторов и их комплексов различной химической природы в процессе гидратации и под воздействием агрессивной среды.
-
Изучены процессы седиментационной устойчивости тампонажных суспензий в различных дисперсионных средах и рассчитаны средние радиусы и фракционный состав частиц цемента в них.
-
Созданы новые тампонажные суспензии, имеющие минимальную степень фильтрации с сохранением реологических свойств и высоких механических характеристик сформированного камня.
-
Создана математическая модель коррозионного разрушения тампонажного камня под действием агрессивного флюида в условиях эксплуатирующейся скважины.
Практическая ценность работы и реализация работы в промышленности.
1. Разработаны методы определения качества разобщения пластов, применение которых позволяет определить возможные причины межколонных и устьевых проявлений.
-
Созданы рецептуры седиментационно-устойчивых тампо-нажных суспензий с минимальными значениями степени фильтрации.
-
Разработаны комплексные реагенты для модификации' свойств тампонажных суспензий, в которых в оптимальных соотношениях подобраны понизитель водоотдачи и пластификатор. Комплексный реагент предназначен для применения в широком диапазоне температур: от 20 до 90С.
-
Применение разработанных комплексов не предполагает изменение (усложнение) технологии приготовления и доставки тампонажных суспензий в скважину.
-
Результаты исследований вошли в нормативные документы и регламенты на крепление колонн, перекрывающих газосодержащие пласты на Росташинском, Гаршинском и Зайкинском месторождениях. Созданные тампонажные составы рекомендованы к применению в ОАО «Астраханьбургаз», ОАО «Самаранефтегаз».
-
На основе предложенных методик проводятся анализы качества крепления в проявляющих скважинах на месторождениях РАО «Газпром» (Севергазпром, Астраханьгазпром, Надымгазпром), ОАО « Самаранефтегаз».
-
Тампонажные составы с положительным эффектом внедрены в ОАО «Астраханьбургаз», ОАО «УПНП и КРС», ОАО «Южо-ренбургнефть», ОАО «Оренбургбурнефть», ОАО «Самаранефтегаз» и др.
Апробация работы.
Диссертационная работа является итогом разработки и внедрения реагентов и рецептур тампонажных систем для различных горно-геологических условий в течение 20 лет.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзном совещании «Технология крепления глубоких скважин» (в г. Краснодаре в 1988 г.), Всероссийской конференции «Математическое моделирование физико-механических процессов» (в г. Перми, 1996 г.), международной конференции «Молодая наука - новому тысячелетию» (г. Набережные Челны, 1996 г.), Международном конгрессе «Молодежь и наука - третье тысячелетие» (г. Москва, 1997), Всероссийской конференции ученых и специалистов по проблемам газовый промышленности России (г. Моек-
ва, 1997), на семинаре-дискуссии «Проблемы первичного и вторичного вскрытия пластов и...(г. Уфа, 1996 г.), Международной конференции «Проблемы геологии и освоения недр» (г.Томск, 1998, 1999, 2000, 2001 гг.), Международном Симпозиуме по бурению скважин в осложненных условиях (С-Петербург, 1998,2001 гг.), Международной экологической конференции «Экология России и сопредельных территорий» (г.Новосибнрск,2000), ГУ Международном Симпозиуме «Техника и технология экологически чистых пр-в» (г. Москва,2002), Научно-техническом совете ОАО «Газпром» «Проблемы и пути повышения эффективности и качества строительства сверхглубоких скважин в условиях АВПД, температур и агрессивных сред» (г. Москва, 2000), Научно-техническом совете ОАО «Газпром» «Совершенствование технологии крепления скважин» (г.Тюмень, 2001).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 45 печатных работах, 3 авторских свидетельствах.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ
Анализ конструкции скважин и составов цементных суспензий, применяемых для крепления промежуточных и эксплуатационных колонн проявляющих скважин
Важные характеристики тампонажного раствора - продолжительность пребывания его в пластическом состоянии, кинетика изменения его структуры.
Исследован процесс структурообразования составов с различной концентрацией ВС от момента затворения водой до превращения в цементный камень. Для исследования был использован метод определения пластической прочности коническим пластометром.
Пластифицировать тампонажные растворы предлагается также смолами МФАС-Р 100-П [5].
Суперпластификатор С-3 действует на портландцемент и оказывает меньшее пластифицирующее действие, чем предложенный медно-натриевый комплексон нитрилотриметилфосфоновой кислоты, добавка которого в цемент составляет 0,075% [6].
Особенно сложно получать необходимые реологические показатели высокоминерализованных тампонажных растворов при высоких пластовых температурах и значительных объемах цементирования.
Для повышения качества цементирования в объединении «Оренбург-нефть» был выявлен и исследован реагент, обладающий комплексным воздействием на тампонажные растворы - нитрило-триметилфосфоновая кислота. Незначительные добавки НТФ к тампонажным смесям на базе портландцемента оказывают комплексное воздействие на тампонажный раствор и формирующийся из него камень независимо от степени минерализации раствора, а именно: увеличивают сроки схватывания, улучшают растекаемость раствора, способствуют получению прочного цементного камня независимо от количества добавленного замедлителя, значительно снижают проницаемость тампонажного камня (особенно резко - в случае использования минерализованных тампонажных растворов). Простота ввода НТФ (непосредственно в воду затворения), быстрое растворение при кратковременном перемешивании, отсут 14 ствие пенообразования, незначительность добавки по отношению к массе цемента при значительном замедлении схватывания тампонажных растворов независимо от степени минерализации, получение прочного непроницаемого тампонажного камня и ряд других положительных свойств способствовали широкому внедрению тампонажных растворов с добавкой НТФ на площадях объединения «Оренбургнефть» [7].
Широкое промышленное применение при креплении глубоких разведочных и эксплуатационных скважин в качестве реагента-пластификатора получила новолачная смола СФ-010 [8].
Добавка СФ-010 в тампонажный и облегченный цементы позволяет уменьшить вязкость и статическое напряжение сдвига раствора, увеличить срок его схватывания, повысить механическую и контактную прочность цементного камня и снизить его проницаемость.
Изменение структурно-механических показателей тампонажных и облегченных цементных растворов за счет обработок смолой зависит от марки цемента и вида глинистого наполнителя, количества и тонкости помола новолач-ной смолы, солености воды затворения и условий твердения раствора. Растворы улучшенного качества получаются при введении 0,25-0,5% сухого порошка смолы дисперсностью 0,08-0,2 мм в сухой цемент и 0,5-1,0% в цементно-бентонитовую смесь с последующим затворением смеси в пресной или соленой воде, содержащей поваренной соли не менее 5% или каменной соли не более 10% вес. к цементу [8].
Результаты применения новолачной смолы при цементировании скважин показали, что обработка цемента новолачной смолой позволяет довести подъем цементного раствора до расчетной высоты; достигается лучшая прокачи-ваемость цементного раствора и за счет его пластичности - более полное вытеснение промывочной жидкости из каверн; достигается снижение гидравлических сопротивлений при продавке цементного раствора в затрубном пространстве в среднем на 40-50%; обеспечивается замедление схватывания це 15 ментного раствора в горячих скважинах; повышается качество разобщения пластов.
Повышение качества цементирования на Самотлорском месторождении
\ возможно путем регулирования технологических свойств тампонажного рас твора. Повышение подвижности цементного раствора достигается добавками резорцино-формальдегидной смолы ФР-50А, выпускаемой Тюменским заводом «Пластмасс». Для сокращения сроков схватывания тампонажных растворов, обработанных ФР-50А, использовались хлористый кальций и кальцинированная сода. Исследования показали, что добавка смолы ФР-50А также снижает водоотдачу тампонажных растворов.
Резорцино-формальдегидная смола взаимодействует посредством спирто вых и фенольных гидроксилов с реакционно-способными ионами кальция кристаллической решетки цементных частиц. Образующиеся при этом проч ные внутрикомплексные соединения, блокируя активные центры минералов клинкера, снижают прочность структуры цементной суспензии. Этим обеспе чивается уменьшение предельного напряжения сдвига. Добавки этого полиме ра снижают структурную вязкость и предельное динамическое напряжение сдвига цементных суспензий [12].
Зарубежные исследователи предлагают метод применения цементного раствора с улучшенными реологическими свойствами. Улучшение свойств достигается за счет содержания полиамидосульфоновых добавок в количестве 0,01-5% от веса сухого цемента [13].
Сравнительная разжижающая активность соединений сахарных кислот дана в работе краснодарских ученых. При сравнении калиевых солей глюко-новой и глюкаровой кислот, их комплексных соединений с хромом, двух- и трехвалентным железом, алюминием и глюконата кальция установлено, что наиболее эффективны алюмоглюконат и глюкарат двухвалентного железа [9].
Оценка качества сцепления цементного камня с обсадной колонной по данным геофизических исследований
Для анализа взяты проявляющие скважины №№ 215, 926, 721, 85-Д, 611, 411, 450,401, 205,253,2 Еленовской площади Астраханского ГКМ.
На Астраханском газоконденсатном месторождении (АГКМ) бурятся скважины глубиной до 4100-4200 м турбинно-роторным способом.
По регламенту на крепление скважины в основном имеют следующие конструкции: на глубину 30-50 м спускается шахтное направление диаметром 630 мм с целью крепления неустойчивых четвертичных отложений и цементируется до устья тампонажным цементом марки ПЦТ 0-50; кондуктор диаметром 426 мм — на глубину до 400 м и цементируется до устья. Цементирование интервала кондукторов производится тампонажным портландцементом марки ПЦТ-Д20-100 Коркинского или Жигулевского заводов, облегченного цементно-бентонитовой смесью с ВЦО=0,5; первая промежуточная колонна диаметром 324 мм спускается для перекрытия надсолевых отложений двумя секциями с подъемом цементного раствора на длину каждой секции до устья. Глубина спуска ее определяется залеганием кровли хемогенных пород. Первая техническая колонна цементируется ПЦТО-100 или П1ДТ-Д20-100 на артезианской или соленой воде с добавлением 0,002-0,05% НТФ.
Вторая промежуточная колонна диаметром 244,5 мм спускается на глубину 3850 м с целью перекрытия хемогенных (текучих) пород и зон возможных рапопроявлений с АВПД. Для цементирования второй промежуточной колонны используется тампонажный портландцемент марки ПЦТ-Д20-100, либо ШПЦС-120 Новотроицкого завода на пресной воде с добавлением 0,03-0,05% НТФ и 0,15-0,2% декстрина и до 3% КОМ при ВЦО=0,45-0,5. Раньше использовался це 38 мент марки НКИ и пластификаторы декстрин и КОМ. На сегодняшний день для достижения нужных реологических характеристик производится обработка раствора в основном реагентом НТФ в количестве от 0,002 до 0,05% к массе цемента. Вторая промежуточная колонна спускалась до продуктивного горизонта (башкирский ярус), башмак колонны устанавливается в аргиллитах сакмаро-артинских отложений, перекрывая филипповский горизонт с АВПД. Эксплуатационная колонна из труб диаметром 168,3-177,8 мм спускается на глубину свыше 4000 м. Продуктивная толща АГКМ сложена карбонатными породами среднего и нижнего карбона, залегающими на глубине 3880-4100 м. Эксплуатационная колонна цементируется до устья теми же тампонажными материалами, что и вторая промежуточная колонна.
Для оценки качества цементирования применяется три метода ГИС: термометрия, гамма-гамма цементомеры (2 варианта) и акустические цементоме-ры. При этом выдается информация о высоте подъема цемента, равномерности заполнения заколонного пространства, наличия сцепления по контактам колонна - цемент - порода [74].
Теоретически и экспериментально показано, что заключение о всех параметрах качества цементирования ни по одному методу в отдельности дать нельзя, но, тем не менее, в практике часто используется лишь один из методов. Это резко снижает достоверность применения методов ГИС для оценки качества цементирования, т.к. в этом случае достоверно определяется лишь один параметр - высота подъема цемента. Актуальными для реализации по методам ГИС остаются оценка пористости цементного камня и сцепления на границе «цементный камень — горная порода».
Минимально необходимым комплексом ГИС для оценки качества цементирования является акустический метод (лучше широкополосный вариант) и СГДТ. Более тщательный анализ физических основ, применяемых в настоящее время модификаций ГИС, позволяет настаивать на использовании комплекса термометрия - АКЦ - ГГЦ. Это обусловлено тем, что каждый из применяемых методов дает информацию о качестве цементирования лишь по своим параметрам и имеет свое, не перекрываемое другим методом информативное поле: Термометрия позволяет выделить интервалы поглощения тампонажного цемента; АКЦ дает оценку качества сцепления на контакте «цемент - колонна»; ГГЦ - степень и равномерность заполнения затрубного пространства цементом.
Немногочисленные, к сожалению, примеры совместной обработки методов оценки качества цементирования по ГИС показывают, что и информация комплекса гораздо достовернее, чем при использовании отдельных методов. В этом случае удается более точно оценить поинтервальное качество цементирования и согласовать технологические факторы и результаты интерпретации.
Для анализа приведены данные гамма-гамма каротажа, по которым установлено, что во всех десяти исследуемых скважинах констатировано полное вытеснение бурового раствора и присутствие цемента за колонной.
Методы оценки качества цементного камня и адгезии камня к обсадной трубе
Основные виды нарушения качества тампонажного камня в условиях скважин вследствие седиментации [31]: изменение плотности по высоте цементной оболочки; увеличение проницаемости вдоль оси скважины; образование продольных каналов; образование водяных «поясов». А.И.Булатовым и другими авторами [28, 29, 31, 33, 34, 35,] проведены детальные исследования тампонажных растворов с имитацией действия различных факторов, сопровождающих седиментацию в условиях скважины. Седиментация в высококонцентрированных тампонажных суспензиях подчиняется законам течения в капиллярно-пористых телах [85].
Тем не менее, на стадии проектирования тампонажных суспензий для цементирования высокопроницаемых пород, можно и нужно оценить действие реагентов - пластификаторов и стабилизаторов на седиментационные процессы в период гидратации.
Уменьшение водоотдачи цементной суспензии достигается повышением дисперсности частиц клинкера и вводом реагентов, способствующих укреплению структурированной системы, увеличению содержания связанной воды, повышению вязкости дисперсионной среды.
Седиментационная неустойчивость, а, следовательно, высокая водоотдача, являются причиной образования каналов в изолируемом пространстве, заполненных вначале водой затворения и затем освобождающихся от нее за счет действия эффекта контракции.
Качество крепления продуктивных пластов газовых скважин во многом определяется процессами, происходящими в тампонажном растворе в период превращения его в камень (ОЗЦ). Это процессы "зависания" и седиментацион-ного расслоения, которые влекут за собой увеличение проницаемости тампонажного камня вдоль направления движения жидкости затворения, а также приводит к нарушению сплошности камня в затрубном пространстве из-за образования зон с различным водосодержанием. Прежде чем использовать тот или иной реагент для обработки цементного раствора, интересно и даже необходимо пронаблюдать, как он будет вести себя в тампонажной суспензии. Это позволяет сделать седиментационный анализ малоконцентрированных суспензий.
Предварительная оценка воды затворения по данным седиментационного анализа дает возможность целенаправленно выбрать реагенты для обработки тампонажного раствора, повышающие его стабильность, снижающие степень фильтрации и повышающие подвижность.
Для тампонажных растворов водоотдача с течением времени затухает. Однако она очень велика в начальной стадии, и необходимо стремиться уменьшить ее до момента, когда раствор будет обладать некоторой структурой определенной прочности, способной удерживать воду.
Большое влияние на процесс фильтрации оказывает вязкость дисперсионной среды. Чем меньше вязкость, тем интенсивнее идет процесс расслоения суспензий. Высокая степень фильтрации обусловлена седиментационной неустойчивостью, т.е. неспособностью цементных частиц удерживаться во взвешенном состоянии.
Седиментационная устойчивость связана со степенью дисперсности твердых частиц в данной дисперсионной среде. Если в этой среде присутствует стабилизатор, способный понижать лишь фазовое натяжение между цементной частицей и жидкостью, устойчивость системы повышается. Растворенные в воде реагенты, в зависимости от их химической природы, воздействуют тем или иным образом на цементные частицы. О характере воздействия и стабилизирующих свойствах комплексов реагентов можно судить по фракционному составу частиц цемента в данной дисперсионной среде.
Относительное физико-химическое воздействие реагентов на твердые частицы можно оценить, применив закон Стокса для малоконцентрированных суспензий [86, 87]. Согласно закону Стокса скорость осаждения сферических частиц описывается уравнением: w=2/g{pT-p) (зл) 9 vp где г — радиус частицы, мкм; Рт — плотность дисперсной фазы, кг/м3; р — плотность дисперсионной среды, кг/м3; v — динамическая вязкость дисперсионной среды, Па-с. Очевидно, что, определив экспериментально скорость осаждения твердых частиц w, можно рассчитать радиус частиц. Для определения скорости осаждения частиц используют весы, позволяющие определять вес чашечки с осадком с точностью до ±1 мг. При этом скорость осаждения частиц /-и фракции вычисляется простым делением высоты столба суспензии на время, прошедшее с начала опыта: а вес осадка на чашечке соответствует доле частиц с радиусом г г/. Дифференциально-интегральный анализ скорости накопления осадка на чашечке (анализ седиментационной кривой) позволяет определить распределение частиц твердой фазы по радиусам. Седиментационный анализ цементных растворов дает возможность определить распределение частиц по радиусам. Обобщение и анализ распределений позволяет проследить относительное влияние реагентов на седиментационную устойчивость [88].
Знание среднего радиуса цементных частиц (количество частиц с таким значением радиуса составляет 66% от общего количества осевших частиц) и знание поверхностных свойств воды затворения дают возможность выбрать нужный для данной марки цемента химический реагент или комплекс.
Наиболее пригодными для получения качественной цементной суспензии будут растворы с активными поверхностными свойствами (поверхностное натяжение их должно быть меньше, чем у воды) и с наименьшим радиусом цементных частиц. Кроме того, необходимо выбрать жидкость затворения с достаточной вязкостью, чтобы обеспечить высокую удерживающую способность для цементных частиц.
Люминесцентный анализ
Качество цементного камня и состояние контактной зоны «цементный камень - обсадная труба» может быть оценено по коэффициентам абсолютной и фазовой газопроницаемости, по результатам стендовых испытаний, а также рентгеноструктурным, микрофотоструктурным, люминесцентным методами анализов.
Имея в виду результаты анализа качества сцепления цементного камня с обсадной колонной и породой и с целью обеспечения надежного разобщения флюидосодержащих пластов цементный камень должен иметь низкую проницаемость для пластовых жидкостей и газа. Кроме того, особое внимание необходимо уделять зоне контакта цементного камня с обсадной колонной, т.к. высокая проницаемость этой зоны является одной из причин заколонных и межколонных газопроявлений [31, 108].
Интегральным показателем свойств цементного камня традиционно считается механическая прочность. Применительно к разобщению пластов такое мнение не всегда обосновано [39, 45]. Важно обеспечить получение непроницаемого камня, формирующегося без усадки и имеющего хорошее сцепление с металлом обсадной трубы.
А по проницаемости зоны контакта «цементный камень - обсадная труба» можно судить о плотности прилегания цементного камня к стенкам обсадной колонны. Адгезия камня зависит от экстенсивных усилий, возникающих в период гидратационного твердения вяжущего. Прочность связи камня как с породой, так и с трубами определяется химическим и физико-химическим скреплением в результате взаимодействия ионов и молекул поверхностного слоя. Обработка цементных растворов должна вестись таким образом, чтобы активизировать физико-химические процессы на зоне контакта, с этой целью необходимо применять вещества, обладающие высокой поверхностной активностью [31,109]. Выбор ЩСПК для обработки воды затворения не случаен - это эффективное ПАВ с высокой капиллярной активностью, дающее возможность получить достаточно прочные адгезионные связи с поверхностным слоем металла обсадной трубы.
Как известно, различают физическую (абсолютную) и эффективную проницаемость.
При выборе тампонажных материалов для цементирования газовых скважин с целью предотвращения межколонных и устьевых проявлений необходимо отдавать предпочтение цементам с минимальной эффективной газопроницаемостью (как самого цементного камня, так и зоны контакта).
Для проведения сравнительной оценки газопроницаемости цементного камня, полученного из цементных растворов различных рецептур, осуществлена серия экспериментов.
Была смонтирована установка для определения газопроницаемости цементного камня по алгоритму Данюшевского В.С [39]. Газ из баллона с редуктором, позволяющим регулировать давление через барботажный сосуд для увлажнения газа и стойку с манометром подводится к испытуемому образцу, помещенному в специальную резиновую герметизирующую обойму. Пройдя через образец, газ поступает в емкость с водой и начинает вытеснять воду в градуированную стеклянную трубку. Расход газа определяется по количеству воды, вытесненной в трубку за определенный момент времени. В том случае, если газопроницаемость образца была высокой, то расход газа определялся по количеству воды, вытесненной в измерительную емкость за определенные промежутки времени. При определении газопроницаемости учитывалось противодавление, создаваемое столбом воды в градуированной стеклянной трубке.
Приготовленный цементный раствор заливался в подготовленные разборные формы (для получения образцов цилиндрической формы с целью испытания их на физическую и эффективную газопроницаемость) и в металлические трубки длиной 30 мм, имитирующими обсадные трубы (для определения газопроницаемости в зоне контакта «цементный камень - обсадная труба»). После чего формы с цементным раствором помещались в термостат, где они находились двое суток при температуре воды 75.С. Затем формы с цементным камнем извлекались, разбирались и цементные образцы подвергались обезвоживанию, которое проводилось в два приема. Вначале проводилось предварительное обезвоживание в вакуумном шкафу с обогревом в течение 4 часов, температуру поддерживали до 70С. После предварительного обезвоживания образцы высушивались до постоянного веса в эксикаторах над хлористым кальцием. После определения диаметра и длины образца замерялась его физическая (абсолютная) газопроницаемость (причем из установки по определению газопроницаемости удалялся барботажный сосуд). Проницаемость измерялась при трех разных давлениях.
При каждом давлении расход газа измерялся не менее трех раз. Измерения проводились при установившемся постоянном режиме фильтрации, т.е. фильтрация проходила по линейному закону.
При определении эффективной газопроницаемости водонасыщенного цементного камня образцы не подвергались высушиванию, а после определения их размеров, сразу же определялась их проницаемость. В данном случае в схему установки включался барботажный сосуд для увлажнения азота.
Обработка полученных данных по определению газопроницаемости проводилась на ЭВМ с использованием программы «ПРОН», составленной на кафедре «Бурение н/г скважин» СамГТУ [110]. Наряду с определением коэффициента газопроницаемости вычислялось среднеквадратичное и стандартное отклонение для определения точности результата.
Газопроницаемость зоны контакта цементного камня со стальной оболочкой определялась как разность между газопроницаемостью образца в стальной оболочке и газопроницаемостью самого цементного камня. Исследовалась газопроницаемость цементных камней, полученных из портландцемента марок ПЦТ-Д20-100, ПЦТО-100, ШПЦС-120, затворенного на пресной воде и рассоле NaCl плотностью 1070 кг/м3, обработанных либо традиционным реагентом НТФ, либо предложенным реагентом ЩСПК, либо комплексным реагентом ЩСПК + ОЭЦ. Водоцементный фактор равен соответственно 0,4 и 0,5.Образцы для испытаний готовились при температуре 75С в течение двух суток. Для определения влияния седиментационной устойчивости на проницаемость, образец делился на две части и измерялась проницаемость верхнего и нижнего образца. У седиментационноустойчивых систем она должна быть равной для обеих частей. Результат показан двумя строками.
Сравнительные характеристики фазовой и абсолютной газопроницаемости камня и зоны контакта «цементный камень-обсадная труба» даны в табл. 3.10,3.11,3.12.
Анализ полученных данных по физической (абсолютной) и фазовой (эффективной) газопроницаемости показывает, что при приготовлении цементного раствора на воде затворения, обработанной 0,015% НТФ, при ВЦО до 0,5 отмечается высокая проницаемость и в пресной, и в соленой воде. Причем проницаемость верхней части образца возрастает. Резкое повышение газопроницаемости верхней части образца объясняется снижением седиментационной устойчивости цементного раствора вследствие его обработки НТФ.
Измерить абсолютную проницаемость зоны контакта пресных растворов со стальной, оболочкой нет возможности, т.к. адгезия камня с металлом отсутствует. На соленых растворах абсолютная газопроницаемость зоны контакта очень велика.
Обработка цементного раствора реагентом ЩСПК, либо комплексом ОЭЦ + ЩСПК дает возможность снизить как абсолютную, так и фазовую газопроницаемость в несколько раз. Особенно это относится к фазовой проницаемости, которая определяет состояние цементного камня в скважине, ее величина
