Институт нефти и газа
Скачать 4.53 Mb.
|
3.4 КонтракцияПри гидратации цемента происходит образование кристаллогидратов. Вода из свободного состояния переходит в связанное (входит в состав кристаллической решетки, либо связывается адсорбционными силами). При этом ее состояние превращается в квазитвердое - увеличивается плотность, снижается подвижность, объем. Также изменяется и исходный минерал вяжущего, несмотря на увеличение объема новообразований, общий 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 состава исходного вяжущего, условий твердения и т.д. Для обычных портландцементов расчетная величина контракции принимается равной 7 9 мл, на 0,1 кг цемента. Для тампонажных портландцементов с водоцементным отношением 0,5 контракция к месячному сроку твердения достигает 50-65 % предельной величины, и в дальнейшем рост ее существенно замедляется. Для цементов с повышенным количеством двухкальциевого силиката к месячному сроку твердения цементного камня контракция составляет примерно 30-40 % от предельной, но дальнейшее ее нарастание замедляется менее интенсивно. С повышением температуры контракция возрастает, особенно в первой стадии. В дальнейшем скорость контракции стабилизируется. В результате контракции твердеющий цементный раствор всасывает воду из контактирующей с ним глинистой корки, образующейся в процессе бурения на стенках скважины. Корка обезвоживается. При этом образуется сеть каналов, по которым может двигаться пластовый флюид. Поскольку контракционный эффект пропорционален глубине гидратации цемента, необходимо для обеспечения наиболее полного протекания гидратации уделять особое внимание перемешиванию раствора при закачивании и транспортировании в заколонное пространство. Оценить величину контракции можно следующим образом. Примем: В/Ц = 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 = 60 % 0,6ч = 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 %. Поскольку гидратация это есть процесс присоединения молекул воды к поверхности цементной частицы без ее разрушения, то он сходен с мицеллообразованием. Установлено, что плотность адсорбированной воды в поверхностном слое составляет 1400 - 2400 кг/м3. Примем плотность адсорбированной воды = 2000 кг/м3, тогда ее объем уменьшается в 2 раза и таким образом рассматриваемую систему можно представить следующим образом
Высвобождающийся при этом объем может быть представлен порами, при отсутствии подсоса воды стяжение приведет к усадке. 3.5 УсадкаФизико-химические процессы схватывания и твердения портландцемента сопровождаются 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. Взаимодействие цемента с водой сопровождается переупаковкой молекул воды, как за счет химического связывания, так и в результате адсорбции ее на новых поверхностях продуктов твердения. Удельная поверхность продуктов гидратации на 3-4 порядка выше удельной поверхности исходного вяжущего. Химически связанная вода занимает на 1/4 меньший объем, чем свободная. При взаимодействии цемента с водой и образования кристаллогидратов возникает дефект, равный примерно этому объему. Освободившийся объем, первоначально занимаемый свободной водой, заполняется за счет притока воды "извне" (если этот приток возможен). При твердении раствора в районе проницаемых пород, на её стенках отложится глинистая фильтрационная корка, произойдет ее обезвоживание. В ней могут образоваться каналы и трещины. Против плотных малопроницаемых пород или в межколонном пространстве приток воды из "вне" исключен. Это приводит к интенсивному развитию усадочных деформаций, обуславливающих формирование каналов газопроявлений в пограничных зонах цементного камня и образование микро- и макротрещин в самом камне. Линейная деформация усадки при твердении цемента может быть значительной. На рисунке 9 [15] приведены данные по усадочным деформациям в процессе твердения различных по составу цементов. Наибольшая усадка - до 0,27 % характерна для смесей кувасайского цемента с нефтеабадской глиной и бентонитом. Введение низкомолекулярных полимеров также усиливает усадочные явления в цементном камне - усадка с добавлением 0,15 % КМЦ составляет порядка 0,1 % .  Рисунок 9 - Объемная деформация камня из цемента Кувасайского завода Условные обозначения: 1- цемент, В/Ц = 0,4; 2- цемент + 25% нефтеабадской глины, В/Ц = 0,7; 3- цемент + 25% бентонитовой глины, В/Ц = 0,8; 4- цемент УШЦ -1-120, В/Ц = 0,4; 5- цемент + 10 % NаС1, В/Ц = 0,5; 6- цемент + 0,3% NаС1, В/Ц = 0,5; 7– цемент + 15 % КМЦ, В/Ц = 0,5; 8- цемент + 0,3 % гипана, В/Ц = 0,5; 9- цемент + 0,3 % КМЦ, В/Ц = 0,5; 10 - цемент + 0,3 % золы ТЭЦ, В/Ц= 0,5. 3.6 Прочность цементного камня 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 1581-96 установлены стандартные методы испытаний на прочность[1]. 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. Однако в течении нескольких лет вопрос о необходимой прочности цементного камня остается дискуссионным. Так, Саркисов Г. М., 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 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 3000 м 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. 3.7 Проницаемость цементного камня С точки же зрения обеспечения надежной изоляции пластов на протяжении длительного периода эксплуатации скважины более важным параметром, при условии отсутствия перетоков по контактам колонна-цементный камень и цементный камень-порода, является проницаемость цементного камня, так как 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. Иногда при креплении скважин со слабосцементированными пластами с невысокой проницаемости применяют тампонажные растворы, формирующие в процессе твердения проницаемый цементный камень – фильтр, предотвращающий вынос песка в скважину. Для создания за колонной в интервалах залегания продуктивных пластов проницаемых искусственных фильтров непосредственно в процессе первичного цементирования скважины используются цементно-песчаные, цементно-полимерные, материалы на основе смол, песчано-солевые, смоло-солевые и другие смеси, например с добавками нефти или пористого наполнителя, после затвердевания которого получается пористый и прочный камень. Более подробно тампонажные составы, формирующие проницаемый цементный камень рассмотрены в главе 9.4. 3.8 Состояние зоны контакта цементного камня с обсадными трубами и гонными породами Качественная изоляция продуктивных горизонтов и крепление стенки скважин часто зачастую определяется герметичностью в зоне контакта твердеющего цементного раствора и камня с породами и металлом обсадных труб. В практике это называют сцеплением цементного камня с сопрягающимися поверхностями. Нормы и требования к этому параметру ГОСТом не установлены. Процессы взаимодействия цемента с породой и металлом сложны и определяются физико-химическими свойствами цемента, природой металла и пород, адгезией, химическим сродством и условиями твердения цементного раствора. В.Ф. Журавлев и Н.Н. Штейнер установили, что в контактном слое цемента с железом происходят реакции, сопровождающиеся образованием полукальциевого феррита, благодаря уплотнению которого и старению с течением времени сцепление возрастает. А.И. Булатовым установлено, что покрытие колонны обработанным и не обработанным глинистым буровым раствором сцепление снижается до нуля. Высокие температуры и давление не способствуют возрастанию сцепления цементного раствора с колонной покрытой буровым раствором. Удержание колонны в статическом состоянии в скважине при наличии цементного камня в заколонном пространстве обуславливается главным образом силами трения, возникающими на поверхности труб – цементный камень, а также многочисленными неровностями на трубах (муфты и т.д.) и искривлением колонны. Учитывая, что обсадная колонна всегда в известной степени искривлена, следует предполагать, что даже при незначительном сцеплении она не может быть сдвинута с места. Сцепление, обусловленное химическими процессами на контакте сталь – цемент, если и происходит в некоторых участках скважины, то значение их безусловно не велико. Наличие усадочных деформаций неизбежно вызывает нарушение контакта цементного камня с внешней границей. В таблице 1 приведены результаты определения сил сцепления цементного камня с 35 мм металлической трубкой для различных рецептур тампонажных растворов, твердевших в нормальных условиях. Следует иметь в виду, что исследования проводились на образцах малых размеров. При этом было отмечено, что при усадке 0,1 % цементное кольцо укорачивается примерно на 0,1 мм. В скважине, где линейные размеры цементного камня значительно больше, при указанной деформации цементное кольцо уменьшается на 1-3 мм на 1 м длины[16]. | ||||||||
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... |