Институт нефти и газа
Скачать 4.53 Mb.
|
3 Физико-химические явления, протекающие при твердении тампонажных растворов в скважинеВопросы для изучения 3.1 Структура цементного камня. Формирование структуры цементного камня в заколонном пространстве при цементировании скважины. 3.2 Водоотдача тампонажных растворов. 3.3 Седиментация в тампонажных растворах и ее последствия. 3.4 Контракция. 3.5 Усадка. 3.6 Прочность цементного камня. 3.7 Проницаемость цементного камня. 3.8 Состояние зоны контакта цементного камня с обсадными трубами и гонными породами. 3.9 Тепловыделения при гидратации тампонажного цемента. За последние годы наука о процессах, происходящих при твердении тампонажных растворов, о процессах, воздействующих на формирование цементного камня в условиях скважины, о роли химических реагентов при строительстве скважины шагнула далеко вперед. Позволила проникнуть в суть этих сложнейших в своей взаимосвязи процессов и наметила стратегию в решении актуальной и далеко не простой проблемы- создания герметичного, долговечного затрубного кольца из тампонажного камня. В развитие науки в этой области внесли вклад видные учёные: Ф.А. Агзамов, И.Н. Ахвердов, В.И. Бабушкин, А.И. Бережной, B.C. Бакшутов, А.И. Булатов, Ю.М. Бутт, Д.А. Галян, В.С. Данюшевский, Н.Х. Каримов, В.М. Кравцов, Т.В. Кузнецова, Ю.С. Кузнецов, А.А. Клюсов, Н.И. Крысин, М.Р. Мавлютов, Е.К. Мачинский, С.А. Миронов, Д.Ф. Новохатский, В.П. Овчинников, Ш.М. Рахимбаев, Л.Г. Шпынова и многие, многие другие. 3.1 Структура цементного камня. Формирование структуры цементного камня в заколонном пространстве при цементировании скважины По мере увеличения дисперсной фазы в высокодисперсных системах, формирование структуры сопровождается ее переходом к структурированной системе, затем к гелеобразному состоянию и, наконец, к твердому телу. Образование структурированных систем является обычным следствием сцепления или срастания между собой дисперсных частиц. Процесс образования структурного каркаса – процесс, сопровождающийся увеличением его прочности называется структурообразованием. При этом происходит изменение вязкости, пластичности, упругости, прочности. Эти свойства называют структурно-механическими или реологическими. Структуры по предложению Ребиндера П.А. классифицируются на коагуляционные (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 называется гелем. Гели бывают неэластичные (хрупкие) и эластичные (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 поглощают не 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 часть продуктов гидратации цемента, например, тобермориты, гидроалюмосиликаты. Поглощение среды может быть как 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 кристаллических мостиков. Коагуляционные системы в результате механических воздействий способны 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 гидратирующегося 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 веществ. 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 нм находится свободная вода, которая заполняет поры при непосредственном контакте образца с водой ; 2. Конденсированная вода в капиллярах 10 100 нм обладающая пониженным химическим потенциалом, образуется при высокой относительной влажности 95-100 %; 3. Вода конденсированная в порах 3х10 нм 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 замерзает до температуры - 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 группы: а) структурным элементом является молекула воды (цеолиты), 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. Тампонажный раствор до схватывания и твердения представляет собой систему из огромного числа различных по форме и 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. После продавливания тампонажного раствора в затрубное пространство он еще длительное время, до превращения в камень, находится в жидком состоянии. Под действием перепада давления между скважиной и пластом свободная жидкость затворения (вода) отфильтровывается в пласт. В результате получается трещиноватый и пористый цементный камень, прочность которого в 3-4 раза ниже, чем прочность камня, сформированного в условиях отсутствия отфильтровывания. В местах отфильтровывания жидкости затворения образуются трещины, каналы, свищи, которые в дальнейшем развиваются по поперечному сечению и высоте столба тампонажного раствора [6]. Свойства тампонажного раствора и формирующегося из него цементного камня существенно меняются. Схватывание и твердение в скважине происходит неравномерно. На некоторых участках скважины, состоящих из проницаемых пород, могут образоваться плотные цементные сгустки (пробки). В малопроницаемой горной породе и в межколонном пространстве скважины может находиться не схватившийся с высоким содержанием воды тампонажный раствор. В призабойной зоне скважины отфильтровывание воды более значительно, а по мере удаления от стенок ствола скважины остаточное количество воды в тампонажном растворе увеличивается. В такой же, только обратной зависимости изменяются и физико-механические свойства твердеющего цементного камня, что объясняется удалением в пласт вместе с фильтратом и продуктов гидратации портландцемента [7]. На начальной стадии твердения значительное количество воды затворения находится в свободном виде, силы взаимодействия между частицами малы. Поэтому имеется вероятность осаждения твердой фазы тампонажного раствора. Оседающие цементные частицы приводят к потере однородности раствора и усилению процесса расслоения [8]. Под воздействием изложенных выше процессов при затвердевании тампонажного раствора происходит разделение твердой и жидкой фаз. Объем, занимаемый твердой фазой при водоцементном отношении (В/Ц) равном 0.5, не превышает 40 % [9]. Существует период, во время которого образующиеся поры сообщаются друг с другом и окружающей средой. Как показывают теоретические и экспериментальные исследования, размеры этих пор могут быть достаточно большими. Со временем в местах первоначальных сужений пор образуются перемычки из гелеобразных продуктов гидратации, в результате чего формируются замкнутые поры и соответственно снижается проницаемость образующегося камня. Продолжительность формирования замкнутой пористости от нескольких часов до нескольких суток, в зависимости от скорости гидратации, вида цемента, водоцементного отношения и т.д. При одной и той же степени гидратации может формироваться структура цементного камня с различными соотношениями размеров и типа пор (замкнутой или открытой), что подтверждается данными А.М. Невилля (рисунок 6).            III II I    IV V  В\Ц=0,3 75% 0 30 50 100% 0 30 50 100% В\Ц=0,4 В\Ц=0,5       I  II III    IV V       I II III  IV V     Рисунок 6 - Объемные соотношения в цементном камне в зависимости от В/Ц: I – объем капиллярных пор; II – объем усадочных пор; III – объем гелевых пор; IV - масса геля; V – неиспользованный цемент. На рисунке 7 представлен фрагмент порового пространства цементного камня. На рисунке 8 показано изменение давления на пласт, создаваемого столбом тампонажного раствора [10]. В период I - от окончания процесса цементирования до Т=Т1 давление снижается от полного, создаваемого столбом тампонажного раствора до гидростатического, создаваемого жидкостью затворения. Снижение давления обусловлено явлениями зависания твердой фазы на поверхности обсадной колонны и ствола скважины в процессе седиментации и формировании коагуляционной структуры.  Рисунок 7 – Фрагмент порового пространства цементного камня  Рисунок 8 - Обобщенный график изменения давления столба тампонажного раствора на пласт В период II – от Т1 до Т2 в цементном камне начинается образование замкнутых пор, и в третьем периоде интенсивно проявляется процесс контракции и последствия им вызванные. Работами Булатова А.И., Видовского А.А. убедительно показана возможность передачи давления через сформировавшийся цементный камень по проницаемым порам камня [11]. Аналогичные данные получены и при исследовании влияния давления обратного промерзания на вероятность деформации обсадных колонн [12]. Таким образом, анализируя приведенные результаты исследований, можно считать, что флюид, особенно газ, поступающий из пласта (либо за счет возникновения депрессии на пласт, либо по другим причинам), вытесняет жидкую фазу из капиллярных пор, выдавливая ее в проницаемые пласты. Вследствие этого, по мере затвердевания раствора, флюид заполняет образующиеся поры, и гидратация клинкерных минералов резко замедляется из-за нехватки воды. После образования первичной структуры цементного камня по всей высоте столба, флюид может прорваться на поверхность. Именно этот период наиболее опасен для прорыва газа непосредственно по самому цементному камню. Если твердение тампонажного раствора протекает достаточно медленно, то прорыв газа может носить спонтанный характер за счет развития суфф  озионных процессов.Зависимость пористости цементного камня от водоцементного отношения. Известно, что на любой стадии твердения тампонажный камень состоит из продуктов гидратации, негидратированной части клинкерных минералов и воды, не вступившей в химическую реакцию. Вода, находящаяся в гелевых порах прочно связана адсорбционными силами с поверхностью твердой фазы и не участвует далее в химической реакции. Процентная доля гелевых пор не зависит ни от степени гидратации, ни от водоцементного отношения. Капиллярная пористость зависит и от первоначального водоцементного отношения и от степени гидратации [13]. На полную гидратацию расходуется 24-26 % воды от массы цемента. При переходе воды из свободного в химически связанное состояние происходит переупаковка молекул воды с высвобождением части объема, занимаемого свободной водой. Эта доля составляет около 25 % объема воды, вступившей в химическую реакцию [14]. Таким образом, суммарная пористость (П) тампонажного камня на любой стадии твердения может быть выражена  , (1)где: В - количество жидкости затворения (воды); Ц - количество цемента; Q – степень гидратации; Рв_ плотность воды Поскольку Рв = 1000 кг/м3, то П = В - 0.18 Q Ц (2) Как видно, суммарная пористость цементного камня снижается с уменьшением первоначально взятой жидкости затворения и возрастанием степени гидратации. При этом снижается и капиллярная пористость. Необходимое количество жидкости затворения, когда капиллярная пористость отсутствует, можно определить следующим образом. Объем воды, вступившей в химическую реакцию (химически связанной)  (3)Объем исходного цемента  , где ρц - плотность цемента. Объем твердой фазы продуктов гидратации  , (4)где  - доля уменьшения объема химически связанной  воды за счет контракции. Тогда:  (5)Так как объем гелевых пор составляет около 30 % от объема, занимаемого продуктами гидратации, то справедливы соотношения:  и  , (6)где V в - объем гелевых пор, занимаемый водой. Тогда суммарный объем, занимаемый продуктами гидратации, составит:  (7) Усредненная плотность продуктов гидратации составляет 2160 кг/м3, плотность цемента 3100 кг/м3. Увеличение объема продуктов гидратации по сравнению с объемом исходного цемента составит  . Увеличение объема продуктов гидратации приводит к изменению капиллярной пористости цементного камня во времени. На любой стадии твердения справедливо соотношение:  , (8) где W с - объем свободной воды. Условию отсутствия капиллярных пор соответствует W с = 0. Отсюда из выражения (8) требуемое водоцементное отношение для выполнения данного условия можно представить в виде:  (9)Подставив в выражение (9) значения плотностей воды и цемента для условия полной гидратации имеем: В/Ц =0.4. На практике, в целях обеспечения прокачиваемости тампонажного раствора по затрубному пространству, как правило, водоцементное отношение принимают 0,45-0,55. Поэтому, можно считать, что даже при полной гидратации, которая в зависимости от температурных условий достигается в течение нескольких десятков лет, в цементном камне всегда имеются капиллярные связанные между собой поры, которые и могут быть причиной затрубных проявлений газа. Изложенное показывает, что одним из необходимых условий предупреждения затрубных проявлений в газовых скважинах, является применение тампонажных растворов водоцементным отношением не более 0.4. Нижний предел значения В/Ц следует выбирать из условия обеспечения прокачиваемости тампонажного раствора по затрубному пространству при выполнении условий: Рц.г. Рн, Рк.п. Ргр, где: Pц.г. - давление на цементировочной головке; Рн - давление (предельное) работы цементировочных агрегатов; Рк.п. - давление в кольцевом пространстве против самого слабого пласта; Ргр - давление гидроразрыва наиболее слабого пласта. 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. 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 продавливания быстро схватывался и превращался в прочный и малопроницаемый камень. |
Похожие:
 | Кандидат юридических наук, доцент кафедры гражданского процесса и социальных отраслей права юридического факультета Российского государственного... | | Кандидат юридических наук, доцент кафедры гражданского процесса и социальных отраслей права юридического факультета Российского государственного... |
| Проект строительства наклонно направленной добывающей газовой скважины глубиной 3150 м на Ен-Яхинском месторождении | | Геология и геохимия нефти и газа: Электронное Учебное пособие (для вузов) / Под ред. А. Н. Резникова. – Ростов-на-Дону: юфу, 2008.... |
| Физико-химические процессы твердения, работа в скважине и коррозия цементного камня: Учеб пособие для вузов. –Тюмень: Изд-во «Нефтегазовый... | | Методические рекомендации предназначены для студентов всех форм обучения по специальности 240134 Переработка нефти и газа и являются... |
| Далее – Методические указания устанавливают единые требования к расчету стоимости услуг, оказываемых спецтехникой и автомобильным... | | Далее – Методические указания устанавливают единые требования к расчету стоимости услуг, оказываемых спецтехникой и автомобильным... |
| Разработаны: Институтом по проектированию объектов нефти и газа зао «Инжиниринговая компания «КазГипроНефтеТранс», Самарским филиалом... | | «Акционерная компания по транспорту нефти «Транснефть» (оао «ак «Транснефть»), обществом с ограниченной ответственностью «Научно-исследовательский... |