Повышение изолирующей способности тампонажных материалов в период их гидратации при креплении скважин тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Храбров Вадим Александрович

• Храбров Вадим Александрович
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Храбров Вадим Александрович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СПОСОБЫ ОЦЕНКИ И МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ИЗОЛИРУЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ФОРМИРУЮЩЕГОСЯ ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ (ОБЗОР И АНАЛИЗ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ)

1.1. Анализ состояния работ о методах определения изолирующей способности формирующегося цементного камня

1.2. Анализ состояния работ по разработке растворов с повышенной изолирующей способностью

1.3. Выводы по главе

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Установка и методика исследования изменения веса твердого тела, находящегося в формирующемся цементном камне

2.2. Установка и методика сравнительной оценки изолирующей способности цементных суспензий

2.3. Обработка результатов опытов

2.4. Выводы по главе

ГЛАВА 3. ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ ВЕСА ТВЕРДОГО ТЕЛА, НАХОДЯЩЕГОСЯ В ФОРМИРУЮЩЕМСЯ ЦЕМЕНТНОМ КАМНЕ

3.1. О причинах изменения веса твердого тела в формирующемся цементном камне

3.2. Изучение факторов, влияющих на характер изменения веса твердого тела, находящегося в формирующемся цементном камне

3.2.1. Влияние глубины погружения твердого тела на характер изменения его веса в формирующемся цементном камне

3.2.2. Влияние обработки поверхности твердого тела на характер изменения его веса в формирующемся цементном камне

3.2.3. Влияние обработки поверхности вмещающего стакана на характер изменения веса твердого тела в формирующемся цементном камне

3.2.4. Влияние столба свободной жидкости над тампонажным раствором на характер изменения веса твердого тела в формирующемся цементном камне

3.2.5. Влияние материала и формы твердого тела на характер изменения его веса в формирующемся цементном камне

3.2.6. Влияние статической температуры на характер изменения веса твердого тела, находящегося в формирующемся цементном камне

3.3. Разработка описательной модели изменения веса твердого тела, находящегося в формирующемся цементном камне

3.4. Выводы по главе

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕРОПРИЯТИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ ИЗОЛИРУЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ФОРМИРУЮЩЕГОСЯ ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ ПУТЁМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ БЛОКИРУЮЩИХ ДОБАВОК

4.1. Классификация и механизм действия полимерных блокирующих добавок, применяемых в рецептурах тампонажных растворов

4.2. Изучение влияния полимерных блокирующих добавок на сцепление формирующегося цементного камня с внешней и внутренней ограничивающими поверхностями в переходном периоде времени

4.3. Исследование влияния полимерных блокирующих добавок на изолирующую способность формирующегося цементного камня

4.4. Сопоставление скорости роста СНС и изолирующих свойств цементных суспензий при их агрегатном переходе в твердое состояние

4.4.1. Время переходного периода, его критерий и способы измерения

4.4.2. Влияния времени переходного периода на изолирующие свойства цементных суспензий

4.5. Определение совместимости добавок и материалов в составе тампонажной смеси с синтетическими полимерными добавками на основе на основе акриловых мономеров сульфоновой кислоты

4.5.1. Выделение групп водорастворимых полимеров на основе АМПС мономеров

4.5.2. Разработка методики оценки совместимости добавок и материалов в составе тампонажной смеси с синтетическими полимерными добавками на основе АМПС мономеров

4.5.3. Осложнения, возникающие при применении несовместимых добавок

4.6. Выводы по главе

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ К ПРОЕКТИРОВАНИЮ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СМЕСЕЙ, ОБЛАДАЮЩИХ ПОВЫШЕННОЙ ИЗОЛИРУЮЩЕЙ СПОСОБНОСТЬЮ

5.1. Разработка рецептур тампонажных растворов с увеличенным содержанием твердой фазы в объеме суспензии

5.2. Влияние наполнителей на сцепление формирующегося цементного камня с внешней и внутренней ограничивающими поверхностями

5.3. Изучение влияния многокомпонентных смесей с полимерными добавками на изолирующую способность формирующегося цементного камня

5.4. Особенности применения минеральных расширяющих добавок в качестве блокатора поступления пластового флюида на раннем этапе формирования цементного камня

5.4.1. Механизм действия и классификация расширяющих добавок

5.4.2. Влияние минеральных расширяющих добавок на изолирующую способность формирующегося цементного камня

5.4.3. Особенности применения минеральных расширяющих добавок с группами блокирующих водорастворимых полимеров

5.5. Выводы по главе

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение А - Испытательные стенды, применяемые при оценке изолирующей способности цементных суспензий

Приложение Б - Добавки для повышения изолирующей способности цементных суспензий

Приложение В - Методика сравнительной оценки изолирующей способности цементных суспензий

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение изолирующей способности тампонажных материалов в период их гидратации при креплении скважин»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Важным моментом эффективности и надежности скважины является ее качественное крепление. Вследствие негерметичности зацементированных интервалов кольцевого пространства скважины наблюдается высокая вероятность возникновения газонефтеводопроявлений (ГНВП) и межпластовых перетоков, устранение которых нередко связано с большими материальными затратами.

Стоимость ремонтно-изоляционных работ, направленных на восстановление герметичности крепи скважины, может достигать десятков миллионов долларов за скважину [91]. При этом затраты на ликвидацию аварий могут составлять сотни миллиардов долларов [72]. Более того, некачественное крепление скважины может стать причиной преждевременного обводнения добывающих скважин, что будет влиять на итоговую прибыль.

Проблемы, связанные с герметичностью крепи скважины, обостряются из-за стремительного увеличения количества наклонно-направленных и горизонтальных скважин. По данным [10] количество горизонтальных скважин от общего количества новых эксплуатационных скважин за период с 2013 по 2019 год выросло с 20% до 43%. При этом доля скважин с серьёзными нарушениями герметичности крепи, значимыми для производственных показателей, может составлять от 40 до 80% от общего фонда скважин [10].

Миграция пластового флюида по зацементированному кольцевому пространству является крайне опасным явлением, которое может наблюдаться непосредственно после продавки тампонажного раствора в кольцевое пространство, при формирования цементного камня (переходный период из жидкого состояния в твердое) и после схватывания цементного камня.

Настоящая работа посвящена проблемам, связанным с герметичностью

крепи скважины в переходный период тампонажного раствора из жидкого

состояния в твердое, т.к. в данный момент времени поровое давление, создаваемое

столбом цементного раствора, снижается до пластового давления в зоне

проницаемых горизонтов, что является результатом выхода твердой фазы

6

суспензии из взвешенного состояния, а напротив непроницаемых стенок скважины может снижаться ниже гидростатического давления в результате развития вакуума (разрежения) в межзерновом пространстве при связывании и потреблении цементными зернами молекул воды.

Для повышения изолирующей способности формирующегося цементного камня используются минеральные расширяющие добавки, газогенерирующие добавки, понизители фильтратоотдачи на основе природных и синтетических полимеров, вспенивающие поверхностно-активные вещества, соли двух-трехвалентных металлов, которые рекомендуются к применению в качестве блокаторов поступления пластового флюида. Широкий перечень предлагаемых решений связан в первую очередь с отсутствием единого, регламентированного подхода по оценке изолирующей способности формирующегося цементного камня, методики и соответствующего комплекса лабораторных испытаний. Данной проблеме сегодня уделяется недостаточное внимание, а подбор рецептур тампонажных растворов в основном связан с проведением комплекса стандартных лабораторных испытаний [11; 19].

Возникает актуальная проблема разработки методики оценки способности формирующегося цементного камня сопротивляться проникновению пластового флюида, а также мероприятий, связанных со свойствами и составом тампонажного раствора и направленных на повышение изолирующей способности формирующегося цементного камня.

Степень разработанности темы исследования. Существенный вклад в

изучение проблемы повышения герметичности крепи скважины в период

ожидания затвердевания цемента и в решение ее внесли: Аверьянов А.П., Агзамов

Ф.А., Ангелопуло О.К., Булатов А.И., Гайворонский А.А., Гатауллин А.М.,

Геранин М.П., Горлов А.Е., Грачев В.В., Гусев С.С., Данюшевский В.С., Джабаров

К.А., Дюсюнгалиев М.А., Ефимов Н.Н., Калинин А.Г., Колчанов П.О., Коток А.А.,

Куксов А.К., Леонов Е.Г., Малеванский В.Д., Овчинников В.П., Ризванов Ш.З.,

Рогожина М.В., Савенок О.В., Следков В.В., Соловьев Е.М., Фарукшин Л.Х.,

Фёдоров В.Н., Черненко А.В., Щульга Г.П., Abbas G., Al-Ansari A.A., Al-Yami A.S.,

7

Aunea L., Beirnte R.M., Blanco A.M., Brennen M.A., Cadix A. Thant, Calado V., Cheung P.R., Colina A.M., Dean G.D., Irawan S., Jennings S.S., Khan, M.N., Kumar S., Memon S. Milleг E.C., Nas^El-Din H.A., Nelson T., Neufeld J., Parcevaux P.A., Phan C., Rocha J., Sabins F.L., Sutton D.L., Tavares F., Tinsley J.M., Vazquez G., Wilson J. и многие другие исследователи. Авторами предлагаются различные подходы для оценки способности формирующегося цементного камня сопротивляться проникновению флюида и методы повышения изолирующей способности формирующегося цементного камня. Многообразие подходов и решений в первую очередь связано с отсутствием общепринятых норм и рекомендаций по повышению изолирующей способности формирующегося цементного камня. Многие научные работы датируются концом 20 века, в связи с чем возникает ситуация с недостаточной исследованностью вопроса о влиянии разработанных в последние годы полимерных и минеральных добавок на изолирующую способность формирующегося цементного камня.

Цель работы. Повышение изолирующей способности тампонажных материалов в период их гидратации при креплении скважин.

Основные задачи исследований.

1. Определение значимых признаков изолирующей способности цементных суспензий в переходном периоде из жидкого состояния в твердое на основании анализа научно-технической литературы.

2. Разработка методики оценки изолирующей способности цементных суспензий в переходном периоде времени.

3. Исследование влияния полимерных блокирующих добавок на изолирующую способность цементных суспензий.

4. Разработка рекомендаций по проектированию многокомпонентных смесей, обладающих повышенной изолирующей способностью.

5. Изучение влияния минеральных расширяющих добавок на изолирующую способность цементных суспензий на этапе ожидания затвердевания цемента.

Научная новизна.

1. Экспериментально установлено, что изменение веса твердого тела в процессе формирования структуры в цементной суспензии зависит от активности физико-химического процесса гидратации вяжущего материала, характера взаимодействия контактирующих материалов и наличия свободной жидкости над формирующимся камнем.

2. Экспериментально установлено, что изменение веса твердого тела в формирующейся структуре цементной суспензии определяется сцеплением формирующегося камня с контактирующими поверхностями, которое может регулироваться добавками в составе сухой смеси.

3. Разработана методика оценки изолирующей способности цементных суспензий по интенсивности фильтрации после максимальной разгрузки цементной суспензии на внутреннюю контактирующую поверхность.

4. Установлено, что изолирующая способность цементных суспензий в переходном периоде твердения повышается при применении водорастворимых полимеров, обладающих адгезионными свойствами (например, синтетические полимеры на основе акриловых мономеров сульфоновой кислоты), а также при оптимизации распределения частиц по размеру в цементно-минеральной смеси.

5. Обоснована методика определения совместимости синтетических полимеров на основе акриловых мономеров сульфоновой кислоты, добавок и материалов в составе тампонажной смеси, применяемых для повышения изолирующей способности формирующегося камня, по характеру изменения вязкости полимера в присутствии неорганических солей и минеральных расширяющих добавок.

Теоретическая и практическая значимость работы.

1. Теоретические и практические исследования диссертации направлены на разработку рецептур тампонажных растворов, обладающих повышенной изолирующей способностью, что позволяет снизить вероятность образования каналов и увеличить продолжительность безаварийной работы скважины. Практические исследования позволили проанализировать ранее предлагаемые

решения, а также разработать новые рекомендации к выбору рецептур тампонажных раствор, обладающих повышенной изолирующей способностью.

2. Разработанная описательная модель изменения веса твердого тела, находящегося в формирующемся цементном камне, позволяет проводить сравнительную оценку характера сцепления последнего с внешней и внутренней ограничивающими поверхностями в переходном периоде времени в динамике при наличии и отсутствии внешней подпитки.

3. Предложена методика оценки изолирующей способности цементных суспензий, показаны условия, которые необходимо соблюдать при проведении сравнительных лабораторных испытаний. Разработанный подход прост в реализации, требует минимальных затрат на модернизацию лабораторного оборудования, применяемого при исследовании тампонажных составов.

4. Метод определения совместимости добавок и материалов в составе сухой смеси с синтетическими полимерными добавками на основе акриловых мономеров сульфоновой кислоты, применяемыми в качестве блокатора поступления пластового флюида, позволяет проводить оперативную оценку исследуемых полимеров без проведения испытаний на тампонажных растворах.

5. Основные положения диссертации используются автором при проведении практических занятий у студентов в РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина на кафедре бурения нефтяных и газовых скважин. Практические занятия проводятся с использованием методик и на учебных стендах, разработанных в рамках диссертации.

Методология и методы исследования. В работе использовались следующие

методы логики: метод анализа, метод исследования причинно-следственных

связей, метод эмпирического обобщения, метод индукции. При проведении

лабораторных испытаний цементный раствор готовился в соответствии со

стандартом ISO 10426-2:2003 (пункт 5). Кондиционирование раствора

происходило в атмосферном консистометре. Реологические свойства определялись

с помощью ротационного вискозиметра, сроки загустевания - с помощью

консистометра высокого давления, динамика изменения статического напряжения

10

сдвига цементного теста - с помощью ультразвукового анализатора, набухание порошков расширяющих добавок - с помощью тестера линейного расширения. Для изучения изолирующей способности формирующегося цементного камня и для оценки сцепления формирующегося камня с внешней и внутренней ограничивающими поверхностями разработаны лабораторные стенды. Для определения состава материалов и добавок использовались рентгеновский дифрактометр и инфракрасный спектрометр.

Положения, выносимые на защиту.

1. Кинетика изменения веса твердого тела в формирующейся структуре цементной суспензии зависит от активности физико-химического процесса гидратации вяжущего материала, характера взаимодействия контактирующих материалов и наличия свободной жидкости над формирующимся камнем.

2. Интенсивность фильтрации флюида через формирующуюся структуру камня после максимальной разгрузки на внутреннюю контактирующую поверхность зависит от изолирующих свойств цементных суспензий при их агрегатном переходе в твердое состояние.

3. Расслоения цементно-минеральной суспензии в статических и динамических условиях можно избежать, используя в качестве блокатора поступления пластового флюида водорастворимые полимеры на основе акриловых мономеров сульфоновой кислоты, при условии, что вязкость раствора полимера не снижается в присутствии других добавок.

4. Для повышения изолирующих свойств цементных суспензий кроме оптимизации распределения частиц по размеру в цементно-минеральной смеси с целью снижения проницаемости формирующейся структуры цементного камня необходимо вводить водорастворимые полимеры для увеличения вязкости поровой жидкости и повышения адгезионных свойств формирующегося камня в переходном периоде времени.

Степень достоверности результатов. Достоверность результатов

подтверждается результатами лабораторных испытаний, проведенных на

аттестованном оборудовании по стандартизированным методикам и с

11

использованием поверенных средств измерения. В работе использовались материалы литературных источников и собственных исследований, которые позволили смоделировать изучаемые в рамках диссертации процессы, принять рабочую гипотезу, которая не противоречит общепринятой теории гидратации вяжущих материалов.

Личный вклад автора заключается в выборе направления исследований, формулировке целей и задач; в анализе и обобщении литературных источников; в проведении основного объема исследований, обработке и интерпретации полученных результатов; в получении научных выводов и в подготовке рекомендаций; в участии во внедрении результатов исследований и их апробации в виде публикаций и научных докладов.

Апробация работы. Рассмотренные в диссертации вопросы докладывались на научных семинарах кафедры бурения нефтяных и газовых скважин РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина 2019-2022 г.; научно-технической конференции ООО «Газпром флот» - настоящее и будущее освоения континентального шельфа Российской Федерации» (Москва, 2019 г.); 5-ой Международной научно-практической конференции «Булатовские чтения» (Краснодар, 2021г.); международной онлайн конференции «Online International Conference on the Cooperation and Integration of Industry, Education, Research and Application. Forum on Frontiers of Advanced Drilling and Exploitation Technologies for Underground Resources» совместно с Цзилиньским университетом (Москва, 2021 г.); 76-й международной молодежной научной конференции «Нефть и газ - 2022» (Москва, 2022 г.).

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 10 печатных работах, в т.ч. в 6 статьях, опубликованных в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях из Перечня ВАК Минобрнауки РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы, включающего 112 наименований отечественных и зарубежных авторов и приложений. Работа содержит 168 страниц машинописного текста, 75 рисунков, 16 таблиц.

Благодарности. Автор выражает благодарность за научное руководство к.т.н. доценту Шуть К.Ф., за помощь в процессе подготовки работы профессору Подгорнову В.М., профессору Леонову Е.Г., профессору Оганову А.С., доценту Следкову В.В.

ГЛАВА 1. СПОСОБЫ ОЦЕНКИ И МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ИЗОЛИРУЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ФОРМИРУЮЩЕГОСЯ ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ (ОБЗОР И АНАЛИЗ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ

ЛИТЕРАТУРЫ)

1.1. Анализ состояния работ о методах определения изолирующей способности формирующегося цементного камня

В работе [12] дано определение герметичности заколонного пространства: «заколонное пространство скважины можно считать герметичным, если по его глубине восстановлена или уменьшена проницаемость, характерная для естественного состояния пластов». В работе показано, что проницаемость заколонного пространства определяется проницаемостью составляющих его элементов, а именно формирующегося цементного камня, контакта цементного камня со стенками ствола и обсадными колоннами и пород стенок ствола скважины. Автор диссертации полностью разделяет указанную позицию относительно герметичности заколонного пространства.

В настоящей работе под изолирующей способностью цементных суспензий (формирующегося цементного камня) понималась способность их противостоять миграции пластового флюида через формирующуюся структуру и по контакту с ограничивающей поверхностью.

В 1963 году Гайворонский А.А., Фарукшин Л.Х., Шульга Г.П. впервые оценили снижение гидростатического давления столба цементного раствора на лабораторной установке, состоящей из стеклянной трубки (длина - 7 м, диаметр -38 мм) и образцовых манометров [7]. Были проведены испытания трех цементных растворов (1800 кг/м3, 1700 кг/м3, 1640 кг/м3), в ходе которых установили, что гидростатическое давление, создаваемое цементным раствором, снижается до давления столба воды в промежутке от трех до пяти часов в зависимости от водоцементного соотношения (В/Ц). Также авторы оценили степень снижения проницаемости цементного раствора по мере его загустевания. Было установлено, что по абсолютной величине водопроводимость цементного раствора в начальный

период ожидания затвердевания цемента (ОЗЦ) выше проницаемости многих водо-или нефтенасыщенных песчаников (проницаемость цементной матрицы варьировалась от 266 мД (бездобавочный цементный раствор с В/Ц=0,45 спустя 30 минут покоя) до 45 мД (цементный раствор с добавлением 7% (по весу цемента) бентонита с В/Ц=0,45 спустя 210 минут покоя).

В 1969 году Грачев В.В., Леонов Е.Г., Малеванский В.Д. обозначили тему суффозионной устойчивости тампонажных растворов [14]. Под суффозионной стойкостью понимается способность формирующегося цементного камня сопротивляться размыву восходящим фильтрационным потокам поровой жидкости и пластового флюида. Ученые также занимались изучением проницаемости скелета столба цементного раствора.

Необходимо отметить, что оценка проницаемости цементных растворов достаточно трудоемка. Требуется проведение многочисленных испытаний при различных перепадах давления (АР), а также определиться с диапазоном и моментом создания заданного перепада давления. Также необходимо учитывать, что под действием фильтрационного потока структура формирующегося камня неизбежно будет разрушаться, что повлечет за собой дополнительные трудности при анализе снимаемых показателей.

В 1972 году и в 1976 году Геранин М.П., Соловьев Е.М. в работах [8; 9] приводят конструкцию многопластового стенда для оценки суффозионной стойкости цементного раствора. С помощью представленного стенда авторы изучали динамику изменения порового давления цементного раствора на разных расстояниях от модели пласта, оценивали величину контракции и регистрировали объемы воды, отфильтровавшейся в пласт в начальный период опытов и воды, уходящей из него при снижении порового давления цементного раствора. В качестве показателя, характеризующего изолирующей способность тампонажного раствора, принимался максимальный коэффициент аномальности Ка, при котором отсутствуют перетоки через цементный скелет. Также в работе [8] предлагается новое понятие - относительный перепад пластовых давлений Км, равный

отношению разности пластовых давлений в двух горизонтах к давлению столба пресной воды между ними:

В работах [8; 9] сообщение пласта со скважиной происходило сразу после заливки цементного раствора. Из-за перепада давления жидкость затворения отфильтровывалась в пласт, кольматировала его цементными частицами, создавая зону фильтрационного уплотнения, что неизбежно приводило к искажению результатов определения фильтрационных параметров основной части цементного раствора.

Для исключения влияния пласта в 1975 году Грачев В.В., Малеванский В.Д. предложили новый способ определения изолирующей способности тампонажных растворов с помощью крупногабаритной установки, представленной на рисунке А.1 (приложение А) [15]. С целью повышения достоверности результатов испытаний за счет исключения кольматации фильтрующего элемента пласта было предложено сообщать ресивер (источник избыточного давления) со столбом тампонажного раствора в момент равенства порового давления столба тампонажного раствора и установленного давления в ресивере. В качестве показателя, характеризующего изолирующую способность тампонажного раствора, принимался максимальный коэффициент аномальности Ка, при котором отсутствуют перетоки через цементный скелет.

Для исключения влияния зоны уплотнения цементного раствора Грачев В.В. в 1981 году в работе [12], выполненной под руководством Леонова Е.Г., предлагает использовать двухпластовую модель скважины. Аналогично методике, описанной в работе [15], изучалась динамика фильтрации пластовой жидкости через формирующееся цементное тесто при постоянном пластовом давлении.

Оценка максимального коэффициента аномальности пластового давления (Ка) или относительного перепада пластовых давлений (Км), при которых отсутствуют перетоки через цементный скелет, является весьма затруднительной процедурой, поскольку требует проведения многочисленных испытаний с разными пластовыми давлениями.

С целью повышения точности определения изолирующей способности связнодисперсных суспензий Черненко А.В., Булатов А.И., Горлов А.Е., Гусев С.С., Рогожина. М.В. в работе [27] предлагают определять начальный градиент фильтрации в суспензии по отношению полуразности давлений прямой и обратной фильтрации к расстоянию между верхним и нижним сечениями пробы суспензии. Путем сравнения величины начального градиента фильтрации с градиентом давления в системе авторы судят о изолирующей способности суспензии. Предлагаемый способ определения изолирующей способности тампонажных растворов подразумевает проведение одного испытания.

В 1980 году John M. Tinsley, Erik C. Miller, Fred L. Sabins, Dave L. Sutton изучали динамику изменения порового давления цементного раствора при повышенных термобарических условиях (температура - до 60 °С, избыточное давление на устье - до 7 МПа) на крупногабаритной установке, высота которой достигала 5,5 метров, при моделировании проницаемого и непроницаемого участков скважины [105]. Путем измерения объема газа, закаченного под избыточным давлением (2,7 МПа), авторы оценивали изменение объема суспензии в процессе гидратации. По характеру и величине снижения порового давления в нижней секции испытательного стенда судили об эффективности различных смесей с точки зрения изолирующей способности.

Применение рассмотренных крупногабаритных установок [7-9; 12; 14; 15; 27; 105] затруднительно ввиду сложностей, возникающих при проведении лабораторных испытаний: проблемы, связанные с очисткой рабочего цилиндра от цементного теста, сложность в моделировании термобарического профиля, большие объемы закачиваемого раствора, который необходимо предварительно кондиционировать при заданных циркуляционной температуре и давлении. Поэтому дальнейшее развитие рассматриваемой проблемы велось в направлении малогабаритных испытательных стендов. Ученые придерживались тех же целей: попытка воспроизведения скважинных условий в лабораторной испытательной ячейке в уменьшенном масштабе.

В 1984 году Richardson представил малогабаритный U-образный анализатор миграции газа (высота U-образной трубки - 2 м, диаметр U-образной трубки - 25мм) через столб цементного раствора (рисунок А.2, приложение А) [98]. В рабочий U-образный цилиндр заливался исследуемый цементный раствор, азот подавался в одно из колен трубки. На протяжении испытания давление газа непрерывно контролировалось с помощью манометра. Перепад давления в U-образной трубке достигал до 20 МПа. При этом оценивался расход газа через рабочую трубку при заданном перепаде давления после схватывания цементного раствора.

Оценивая расход газа при фиксированном перепаде давления через U-образную трубку, авторы [98; 104] вернулись к идее, связанной с оценкой проницаемости цементных растворов. За счет использования U-образной трубки удалось решить проблему, связанную с фильтром, разделяющим цементный раствор от жидкости в нагнетательной системе. Необходимо отметить, что в большинстве стендов в качестве фильтров предлагается использовать металлические сетки или бумажные фильтры, которые способны пропускать жидкую фазу и препятствовать поступлению твердой фазы. Однако, за счет кольматации фильтра, создаются дополнительные фильтрационные сопротивления, что неизбежно приводит к искажению результатов измерения.

В 1985 году Cheung и Beirute представили конструкцию малогабаритного стенда оценки миграции газа через цементный раствор (рисунок А.3, приложение А) [57]. Стенд представляет собой модернизированный фильтр-пресс высокого давления, который широко применяется при оценке фильтратоотдачи цементного раствора. Ученые оценивали следующие показатели: изменение порового давления цементного раствора во времени, положение подвижного штока во времени для оценки величины снижения объема суспензии, фильтратоотдачу цементного раствора и объем газа, прошедший через столб цементного раствора во времени. Конструкция анализатора получила промышленное распространение (Gas Migration Tester 120-57, OFITE; Fluid Migration Analyzer Model 7150, Chandler Engineering). За последнее время проведены многочисленные лабораторные испытания с применением анализатора данного типа [29; 46; 59; 71; 75; 99; 102].

Необходимо выделить следующие ключевые особенности, которые характерны для малогабаритного стенда оценки миграции газа. Во-первых, из-за конструктивных особенностей анализатора отсутствует возможность подачи избыточного давления снизу. Сверху рабочего цилиндра создается большее давление (3,5 МПа) по отношению к противодавлению снизу (2,1 МПа). Во-вторых, сообщение газового пласта с рабочим цилиндром происходит сразу после заливки цементного раствора в модель скважины. Из-за возникновения перепада давления жидкость затворения отфильтровывается в пласт, кольматирует его цементными частицами, создавая зону фильтрационного уплотнения, что искажает результаты определения фильтрационных параметров основной части цементного раствора.

В 1988 году Джабаров К.В. представил схему стенда для определения динамика изменения порового давления и изолирующей способности цементных и глинистых суспензий [16; 17]. Автор определял изменение порового давления цементного раствора во времени в случае контакта с макетом газового и водяного пластов, а также оценивал минимальную аномалию пластового давления, при которой начинается фильтрация флюида через цементный раствор. Отличительная особенность стенда заключалась в наличии блока компенсации измерения давления в процессе структурообразования цементного раствора, который состоял из пьезометрической трубки и системы жидкостных и-образных манометров. Необходимо также отметить, что проблема кольматации фильтрующего элемента была устранена за счет непосредственного контакта суспензии с жидкостью в измерительной системе. По уровню снижения порового давления цементного раствора автор предлагает определять показатель начала фильтрации /, который соответствует величине снижения порового давления (при этом кривая обязательно должна иметь горизонтальный участок), и начальный градиент ¿0, который характеризует отклонения найденного значения показателя начала фильтрации от единицы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Храбров Вадим Александрович, 2023 год

источник газа

Рисунок 2.4 - Испытательный стенд для определения интенсивности

фильтрации формирующегося цементного камня: 1 - рабочий цилиндр, 2 -

редуктор, 3 - манометр, 4 - фильтрующий элемент (325 меш), 5 - термопара, 6 -

газосчетчик барабанный, 7- трехходовой вентиль, 8 - мерный цилиндр

В качестве рабочего цилиндра (1) использовался стальной толстостенный

цилиндр фильтр-пресса Chandler 7120 (внутренний диаметр цилиндра 54 мм). На

выходе из рабочего цилиндра через быстроразъемное соединение подключен

барабанный газосчетчик (6). Фильтрующим элементом (4) являлась сетка 325 меш.

После приготовления и предварительного кондиционирования в течение

фиксированного времени при заданной циркуляционной температуре цементный

раствор переливают в предварительно прогретый до статической температуры

стальной цилиндр (1). Цементный раствор оставляют в покое до наступления

критического момента времени, при достижении которого интенсивность

фильтрации достигает своего максимального значения. Необходимо отметить, что

на начальном этапе исследований критический момент времени определяли путем

проведения серии последовательных испытаний. После выдержки образца в

течение критического момента времени воздух от источника газа подается в

рабочий цилиндр под давлением, регулируемым с помощью редуктора (2). На

начальном этапе оценивается фильтратоотдача цементтного раствора. В момент

прорыва газа через цементное тесто рабочий цилиндр через быстроразъемное

32

соединение подключают к барабанному газосчетчику (6), по которому определяют время прохождения фиксированного объема газа через образец. Испытание прекращают при наступлении установившегося режима фильтрации газа.

Результаты определения интенсивности фильтрации для цементного раствора базовой рецептуры плотностью 1900 кг/м3:100%ПЦТ-№ (ООО "СЛК Цемент")+3%СаС12(пвц) представлены в таблице 2.1. Кондиционирование растворов происходило в течение 40 минут при циркуляционной температуре 25 °С. Статическая температура равнялась 35 °С.

Таблица 2.1 - Результаты определения интенсивности фильтрации для цементного раствора базовой рецептуры

№ Интервал времени Фильтратоотдача цементного раствора Интенсивность фильтрации С, м3/(чМПа2)

п/п в покое, мин общее время после приготовления, мин V, мл время сбора фильтрата, мин при давлении на входе 3,4 атм*

1 0 0 78 3,03 2,713

2 30 70 34 1,67 6,309

3 55 95 16 1,25 6,539

4 85 125 3 0,37 6,752

5 120 160 0 - 0,511

*Во избежание разрыва слабой несформировавшейся структуры цементного камня не рекомендуется создавать избыточное давление на входе в рабочий цилиндр более 3,4 атм, что соответствует 50 фунт-сила на квадратный дюйм.

Из представленных данных видно, что в момент времени после затворения цементного раствора наблюдается максимальное отфильтровывание жидкости затворения. При этом на выходе наблюдается формирование уплотненной цементной корки, которая снижает интенсивность фильтрации, что создает дополнительную погрешность при оценке изолирующей способности формирующегося цементного камня, видимо, связанную с кольматацией фильтрующего элемента (С1=2,713 м3/(чМПа2)).

При выдержке цементного раствора в течение 30 минут зафиксирован разрыв слабой, несформировавшейся структуры цементного теста (рисунок 2.5). Больше

33

половины жидкости затворения не было отфильтровано на начальном этапе проведения испытания. Несмотря на разрыв слабой, несформировавшейся структуры, данный момент времени нельзя считать критическим, поскольку поровое давление, создаваемой столбом цементного раствора, из-за наличия в структуре формирующегося камня несвязанной жидкости не будет снижаться до своего минимального значения.

Проведенные испытания показали, что для базового состава наиболее опасный (критический) момент времени возникает при выдержке цементного теста в покое в течение 85 минут, при котором интенсивность фильтрации достигает своего максимального значения. В данный момент времени наблюдается отслоение цементного теста от внешней стенки, что связано с химической усадкой формирующегося цементного камня. На рисунке 2.6 видны зазоры по периметру образца в рабочем цилиндре.

Рисунок 2.5 - Поверхность образца в Рисунок 2.6 - Поверхность образца рабочем цилиндре после 30 минут в рабочем цилиндре после 75 минут выдержки в покое выдержки в покое

Поскольку проведение многочисленных испытаний для определения критического момента времени исследуемого состава, при котором интенсивность фильтрации достигает своего максимального значения, затруднительно, была поставлена задача поиска альтернативного метода определения критического момента времени.

Для относительно быстрой оценки критического момента времени предложен к применению метод гидростатического взвешивания, описанный в разделе 2.1 Конец интервала 4 на кривой изменения привески скелета цементного раствора на стержень или изменения скорости роста привески (рисунки 2.2-2.3) предложено считать критическим моментом времени, поскольку, как будет доказано в главе 3, интервал времени 4 характеризует начало и конец отслоения формирующегося цементного камня от внешней стенки, что приводит к снижению герметичности по контакту с ограничивающей поверхностью. Полученные результаты согласуются с прямыми испытаниями по определению критического момента времени с помощью испытательного стенда для определения интенсивности фильтрации формирующегося цементного камня (рисунки 2.2-2.3, таблица 2.1). Важными условиями являются соблюдение одинаковой геометрии вмещающего стакана при определении привески скелета цементного раствора на стержень и рабочего цилиндра для определения интенсивности фильтрации, а также фиксированный объем исследуемого тампонажного состава.

На значение интенсивности фильтрации оказывают влияние герметичность контакта формирующегося камня с ограничивающей поверхностью и герметичность формирующейся структуры цементного камня. Поскольку интенсивность фильтрации не учитывает габариты рабочего цилиндра, материал, способ обработки поверхности рабочего цилиндра и объем исследуемой жидкости, то именно эти параметры необходимо фиксировать при проведении сравнительных испытаний.

В настоящей работе перед каждым испытанием рабочий цилиндр фильтр-пресса предварительно чистили в ультразвуковой ванне, объем цементного раствора был равен 250 мл. Интенсивность фильтрации определяли при следующих давлениях на входе в рабочий цилиндр: 3,4 атм (50 фунт-сила на квадратный дюйм), 6,8 атм (100 фунт-сила на квадратный дюйм), 13,8 атм (200 фунт-сила на квадратный дюйм).

Таким образом, методика определения изолирующей способности

формирующегося цементного камня состоит из следующих этапов. На первом

35

этапе определяют критический момент времени по кривой изменения привески скелета цементного раствора на стержень. На втором этапе проводится оценка интенсивности фильтрации после выдержки образца в покое в течение критического момента времени. Предложенный подход прост в реализации, не требует применения отличного от стандартного лабораторного оборудования, применяемого при исследовании тампонажных составов.

Результаты испытаний опубликованы в работе [33]. Методика сравнительной оценки изолирующей способности цементных суспензий в момент времени, когда завершается разгрузка цементного камня на находящийся внутри него образец, представлена в приложении В.

При проведении исследований опыты последовательно повторяли на воспроизводимость с одной и той же партией цемента и при заданных условиях.

Для определения точности измерений на первом этапе определяли среднее арифметическое значение измеренных величин (х) и стандартное отклонение (А) по формуле:

где - значение показателя ьго измерения, х - среднее арифметическое значение измеренных величин, п - количество измерений.

На втором этапе определяли стандартную ошибку средней арифметической (Бх) по формуле:

Если после серии лабораторных испытаний (2-3 повторения) величина превышала допустимую погрешность показаний применяемых приборов, то из формулы (2.7) определяли необходимое количество повторений (п) для получения надежного среднего значения измеряемой величины [18].

2.3. Обработка результатов опытов

(2.7)

(2.8)

Показатель точности измерений (рх), который характеризует отклонение результата измерений от истинного значения измеренной величины, определяли по формуле:

В таблице 2.2. представлен один из примеров обработки результатов испытаний при изучении характера изменения показаний лабораторных весов с целью исследования изменения веса твердого тела, находящегося в формирующемся цементном камне. При проведении испытаний применялись лабораторные весы Vibra HT I-го класса точности по ГОСТ Р 53228-2008. Погрешность показаний лабораторных весов 0,001 г. Испытания считали воспроизводимыми, если показатель точности не превышал 5%.

Таблица 2.2 - Оценка точности измерений при исследовании изменения веса твердого тела, находящегося в формирующемся цементном камне

Время, мин Показания весов Mi, г X, г Л, г SX, г Рх, %

тест №1 тест №2

0 65,564 65,727 65,646 0,081 0,057 0,088

2,5 65,914 66,119 66,017 0,102 0,059 0,089

5 66,077 66,319 66,198 0,121 0,070 0,105

7,5 66,383 66,796 66,589 0,207 0,119 0,179

10 67,011 67,862 67,437 0,426 0,246 0,364

12,5 68,355 69,685 69,020 0,665 0,384 0,556

15 70,288 71,355 70,821 0,533 0,308 0,435

17,5 71,759 71,937 71,848 0,089 0,052 0,072

20 72,301 72,114 72,207 0,094 0,054 0,075

22,5 72,538 72,358 72,448 0,090 0,052 0,072

25 73,318 73,778 73,548 0,230 0,133 0,181

27,5 75,487 76,953 76,220 0,733 0,423 0,555

30 79,203 81,385 80,294 1,091 0,630 0,784

32,5 84,134 86,783 85,458 1,324 0,765 0,895

35 89,744 93,078 91,411 1,667 0,963 1,053

37,5 96,034 99,119 97,576 1,543 0,891 0,913

40 100,831 101,358 101,094 0,264 0,152 0,151

42,5 102,317 104,646 103,482 1,165 0,672 0,650

45 104,609 107,974 106,291 1,682 0,971 0,914

47,5 107,062 110,929 108,995 1,933 1,116 1,024

50 109,469 113,842 111,655 2,186 1,262 1,130

52,5 111,899 116,827 114,363 2,464 1,423 1,244

55 114,406 119,229 116,817 2,411 1,392 1,192

57,5 116,767 121,162 118,964 2,197 1,269 1,066

60 118,924 123,142 121,033 2,109 1,218 1,006

62,5 121,096 125,229 123,163 2,066 1,193 0,969

65 123,396 127,225 125,310 1,915 1,106 0,882

67,5 125,472 129,083 127,277 1,805 1,042 0,819

70 127,576 130,214 128,895 1,319 0,761 0,591

72,5 128,738 131,288 130,013 1,275 0,736 0,566

75 130,153 132,285 131,219 1,066 0,616 0,469

77,5 131,224 133,185 132,204 0,981 0,566 0,428

80 132,090 133,694 132,892 0,802 0,463 0,348

82,5 132,629 133,923 133,276 0,647 0,373 0,280

85 133,016 134,055 133,535 0,519 0,300 0,225

87,5 133,263 134,227 133,745 0,482 0,278 0,208

90 133,453 134,325 133,889 0,436 0,252 0,188

В приведенном примере показатель точности измерений не превышал 1,244%.

2.4. Выводы по главе 2

1. Представлен комплекс экспериментальных установок и методик, используемых при изучении свойств функциональных добавок, тампонажных растворов и формирующегося цементного камня.

2. Представлена установка и методика исследования изменения веса твердого тела, находящегося в формирующемся цементном камне

3. Предложен метод определения изолирующей способности формирующегося цементного камня в момент времени, когда завершается разгрузка цементного камня на находящийся внутри него образец. Показаны условия, которые необходимо соблюдать при проведении сравнительных лабораторных испытаний при определении интенсивности фильтрации в критический момент времени.

ГЛАВА 3. ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ ВЕСА ТВЕРДОГО ТЕЛА, НАХОДЯЩЕГОСЯ В ФОРМИРУЮЩЕМСЯ ЦЕМЕНТНОМ КАМНЕ

3.1. О причинах изменения веса твердого тела в формирующемся

цементном камне

Во время ожидания затвердевания цемента (ОЗЦ) наблюдается увеличение веса обсадной колонны (ОК), которое фиксируется по величине нагрузки на крюке. Данное явление ряд авторов связывают с температурными колебаниями по глубине скважины [5; 20; 22], с оседанием твердой фазы цементного раствора [12; 13], с уменьшением величины выталкивающей силы при гидратации вяжущего материала [8], с поглощениями и с периодическими колебаниями уровня моря при строительстве скважин на континентальном шельфе [24].

В работе [13] по результатам промысловых испытаний показано, что для ОК диаметром 146,1 мм длиной 1000 метров прирост массы от зависания скелета цементного раствора может составлять до 27,2% от массы колонны в воздухе, а прирост массы от изменения давления при гидратации вяжущего материала может достигать 50,4% при плотности цементного раствора 1820 кг/м3.

Анализ характера изменения веса на крюке при строительстве морских скважин на месторождении шельфа острова Сахалин позволил автору работы [24] сделать предположение о том, что увеличение веса ОК в процессе ОЗЦ связано с поглощением технологической жидкости. В работе по результатам промысловых испытаний представлена аналитическая модель изменения веса на крюке.

В работе [12] авторы исследовали характер изменения веса тонкой пластины в период гидратации вяжущего материала. Установлено, что на характер и интенсивность изменения веса пластины влияют величина зазора от поверхности пластины до стенки ограничивающего сосуда и ширина пластины. При увеличении зазора и ширины пластины авторы зафиксировали увеличение привески скелета цементного раствора на поверхность пластины при формировании цементного камня. Изменение веса пластины авторы связывают с трением и сцеплением

сползающего цементного скелета, что приводит к возникновению дополнительных напряжений растяжения.

Для определения характера изменения выталкивающей силы в цементном растворе в работе [26] предложено сообщать на стержень вибрацию с амплитудой, превышающей амплитуду собственных колебаний стержня, что, по мнению авторов, позволяет устранить влияние трения твердой фазы суспензии о стержень. В работе [8] авторы приходят к выводу о том, что суммарное увеличение нагрузки на стержень, погруженный в цементную суспензию, связано как с зависанием твердой фазы суспензии, вышедшей из взвешенного состояния, так и со снижением выталкивающей силы при гидратации вяжущего материала.

В работе [88] авторами предпринята попытка связать изменение веса стержня с силой трения, возникающей при контракции формирующегося цементного камня. Авторы оценивали изменение веса стального стержня диаметром 0,635 см и длиной от 30 до 90 см. Авторами не было зафиксировано увеличение веса стального стержня при формировании цементного камня из портландцемента класса ПЦТ-1-Н при плотности раствора 1860 кг/м3. Данное явление было связано с более ранним наступлением контракции по сравнению с моментом активного роста статического напряжения сдвига формирующегося цементного теста.

Понимание природы изменения веса твердого тела в формирующемся цементном камне важно с целью прогнозирования и учета дополнительных растягивающих нагрузок, действующих на ОК в период ОЗЦ. В настоящей главе проведен анализ факторов, влияющих на характер изменения веса твердого тела, находящегося в формирующемся цементном камне, а также предложена описательная модель изменения веса твердого тела в формирующемся цементном камне, учитывающая продолжительность этапов физико-химических процессов гидратации вяжущего материала

3.2. Изучение факторов, влияющих на характер изменения веса твердого тела, находящегося в формирующемся цементном камне

Было изучено влияние следующих факторов на характер и интенсивность изменения веса твердого тела, находящегося в формирующемся цементном камне:

1. статическая температура;

2. материал (гидрофобный, гидрофильный) и форма (удлиненная форма по типу стержня и плоская форма по типу пластины) твердого тела;

3. обработка поверхности твердого тела (нанесение на поверхность твердого тела кварцевого песка (100-300 мкм), пленки смачивателя (ОП-7), пленки гидрофобизирующей жидкости (ГКЖ));

4. площадь контакта твердого тела с формирующимся цементным камнем (изменение глубины погружения твердого тела);

5. обработка поверхности вмещающего стакана (нанесение на внутреннюю поверхность стакана кварцевого песка (100-300 мкм), пленки смачивателя (ОП-7), пленки гидрофобизирующей жидкости (ГКЖ));

6. качество (свежесть) портландцемента;

7. наличие столба свободной жидкости над формирующимся цементным камнем.

Характер изменения веса твердого тела, находящегося в формирующемся цементном камне, изучался с помощью испытательного стенда и по методике, описанными в главе 2.1. В качестве базового состава готовился цементный раствор плотностью 1900 кг/м3 из цемента марки ПЦТ-I-G-CO (ООО "СЛК Цемент") с добавлением 3% CaCl2 (пвц) в качестве ускорителя загустевания в соответствии со стандартом ISO 10426-2:2003 (пункт 5).

3.2.1. Влияние глубины погружения твердого тела на характер изменения

его веса в формирующемся цементном камне

Была проведена оценка влияния глубины погружения (Ьпогр) латунного стержня на характер и интенсивность изменения его веса в формирующемся цементном камне. На рисунках 3.1-3.2 представлены кривые изменения привески

скелета цементного раствора на стержень и изменения скорости роста привески, полученные для цементного раствора базовой рецептуры. Цементный раствор кондиционировался в течение 40 минут при циркуляционной температуре 25°С, статическая температура равнялась 25°С.

Глубина погружения стержня составляла:

• тест №4 Lпогр=15 мм (площадь контакта Sк=471 мм2);

• тест №5 Lпогр=26,5 мм (площадь контакта Sк=832,1 мм2);

• тест №6 Lпогр= 39 мм (площадь контакта Sк=1224,6 мм2);

• тест №7 Lпогр= 60 мм (площадь контакта Sк=1884 мм2).

Рисунок 3.1 - Влияние глубины

Рисунок 3.2 - Влияние глубины

погружения твердого тела на характер погружения твердого тела на скорость

изменения привески скелета цементного раствора на его поверхность

изменения привески скелета цементного раствора на его поверхность

Из представленных графиков видно, что с увеличением глубины погружения твердого тела и, соответственно, площади контакта поверхности твердого тела с цементным раствором наблюдается увеличение величины привески и скорости роста привески скелета цементного раствора на 1 интервале и снижение величины

привески и скорости роста привески на 3 интервале времени. Можно отметить, что глубина погружения твердого тела слабо повлияла на характер изменения веса стержня на 4 интервале времени. Продолжительность интервалов также не изменилась.

Результаты пересчета величины привески скелета цементного раствора на площадь контакта твердого тела с формирующимся цементным камнем показаны на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 - Влияние глубины погружения твердого тела на характер изменения привески скелета цементного раствора на стержень в удельном виде

Проведенные испытания показали отсутствие прямой связи площади контакта и величины привески скелета цементного раствора на поверхность твердого тела на 3 и 4 интервалах времени. При этом 1 и 2 интервалы времени хорошо коррелируют с площадью контакта.

Отмечено, что при увеличении площади контакта твердого тела с цементным раствором величина привески скелета цементного раствора в удельном виде на 3 и 4 интервалах времени снижается, что было связано с тем, что цементное тесто после 2 интервала времени ведет себя как единое связанное тело, в связи с чем на величину привески скелета цементного раствора на интервалах времени 3-4 влияет в большей степени не глубина погружения твердого тела и, соответственно, площадь контакта, а объем цементного теста в стакане.

При изучении влияния факторов на характер изменения веса твердого тела, находящегося в формирующемся цементном камне, было решено пользоваться показателями «величина привески» и «скорость роста привески». Площадь контакта и объем цементного раствора оставались постоянными.

3.2.2. Влияние обработки поверхности твердого тела на характер изменения его веса в формирующемся цементном камне

Была проведена оценка влияния обработки поверхности стержня твердыми частицами (тест №8 - песок 100-300 мкм), смачивателем (тест №9 - ОП-7), гидрофобизирующей жидкостью (тест №10 - ГКЖ). Результаты испытаний для цементного раствора базовой рецептуры представлены на рисунках 3.4-3.5 (кондиционирование цементного раствора в течение 40 минут при циркуляционной температуре 25°С, статическая температура 35°С).

Рисунок 3.4 - Влияние обработки

Рисунок 3.5 - Влияние обработки

поверхности твердого тела на характер поверхности твердого тела на скорость изменения привески скелета изменения привески скелета

цементного раствора на его цементного раствора на его

поверхность поверхность

При нанесении на поверхность стержня песка или пленки ГКЖ отмечено увеличение величины привески и скорости роста привески скелета цементного раствора на 1 интервале и снижение величины привески и скорости роста привески на 3 интервале времени. Обратная ситуация наблюдается при нанесении на поверхность стержня смачивателя ОП-7. Отмечено, что, как и в случае изменения площади контакта твердого тела с цементной суспензией, обработка поверхности твердого тела не повлияла на характер изменения его веса на 4 интервале времени.

Зафиксировано, что при испытании базового состава и при нанесении на поверхность твердого тела пленки смачивателя ОП-7, который представляет собой продукты обработки смеси моно- и диалкилфенолов окисью этилена (маслоподобная жидкость), наблюдается срыв привески скелета цементного раствора в интервале времени 38-40 минут, который характеризуется резким уменьшением величины привески скелета цементного раствора. Данное явление

было связано с проскальзыванием формирующегося цементного теста в момент его разгрузки на стержень.

Отмечен схожий характер изменения привески скелета цементного раствора на стержень при напылении на поверхность твердого тела кварцевого песка и при нанесении пленки ГКЖ. Предположительно, данное явление связано с большим трением частиц цемента о поверхность твердого тела в обоих перечисленных случаях.

3.2.3. Влияние обработки поверхности вмещающего стакана на характер изменения веса твердого тела в формирующемся цементном камне

Была проведена оценка влияния обработки поверхности вмещающего стакана твердыми частицами (тест №11 - песок 100-300 мкм), гидрофобизирующей жидкостью (тест №12 - ГКЖ), смачивателем (тест №13 - ОП-7). Результаты испытаний для цементного раствора базовой рецептуры представлены на рисунках 3.6-3.7 (кондиционирование цементного раствора в течение 40 минут при циркуляционной температуре 25°С, статическая температура 35°С).

Рисунок 3.6 - Влияние обработки поверхности стакана на характер

Рисунок 3.7 - Влияние обработки поверхности стакана на скорость

изменения привески скелета изменения привески скелета

цементного раствора на стержень цементного раствора на стержень

При напылении на внутреннюю стенку вмещающего стакана песка или при нанесении пленки ГКЖ отмечено существенное снижение величины привески и скорости роста привески скелета цементного раствора на 4 интервале времени, а также отсутствие срыва привески скелета цементного раствора в интервале времени 38-50 минут, что, предположительно, связано с лучшей связью формирующегося цементного камня со стенкой вмещающего стакана в сравнении с базовым испытанием. При этом характер изменения привески скелета цементного раствора на интервалах 1-3 изменился слабо.

3.2.4. Влияние столба свободной жидкости над тампонажным раствором на характер изменения веса твердого тела в формирующемся

цементном камне

Обнаружено, что на характер изменения веса твердого тела, находящегося в формирующемся цементном камне, также влияет качество («свежесть») портландцемента.

На рисунке 3.8 представлены кривые изменения привески скелета цементного раствора на стержень при исследовании четырех партий цемента марки ПЦТ-№-СС-1. Номерами партий 2 (тест №21) и 3 (тест №22) отмечен слежавшийся портландцемент, при применении которого отмечено расслоение суспензии.

Рисунок 3.8 - Влияние качества портландцемента на характер изменения привески скелета цементного раствора на стержень

Рисунок 3.9 - Влияние наличия столба воды над формирующимся цементным

камнем на характер изменения привески скелета цементного раствора на стержень

С целью подтверждения гипотезы, связанной с тем, что на характер изменения веса твердого тела, находящегося в формирующемся цементном камне, оказывает влияние столб свободной жидкости над суспензией, были проведены следующие испытания (рисунок 3.9):

• тест №17 - цементный раствор плотностью 1900 кг/м3: 100%ПЦТ-1-G+3%CaQ2 (базовые условия испытания: кондиционирование цементного раствора в течение 40 минут при циркуляционной температуре 25°С, статическая температура 25°С, водоотделение отсутствует);

• тест №18 - цементный раствор без применения ускорителя схватывания СаС12 (базовые условия испытания, водоотделение 6,5 мл);

• тест №19 - цементный раствор плотностью 1900 кг/м3: 100%ПЦТ-1-G+3%CaQ2 (базовые условия испытаний, добавлено 10 мл воды над столбом цементного раствора).

При наличии свободной воды (водоотделения) над формирующимся цементным камнем (тест №22 рисунок 3.8, тесты №18-19 рисунок 3.9) зафиксировано уменьшение величины привески скелета цементного раствора на поверхность твердого тела на интервалах времени 3 и 4, что может говорить о слабом контакте формирующегося цементного камня с поверхностью твердого тела (проскальзывание цементного теста в момент разгрузки его на поверхность твердого тела) или об отсутствии контакта. При этом наличие свободной жидкости сверху суспензии не повлияло на характер изменения веса стержня на 1 интервале времени (тесты №17 и №19 рисунок 3.9). При отсутствии ускорителя в базовой рецептуре цементного раствора отмечено увеличение продолжительности 1 интервала времени (тесты №18 рисунок 3.9). При этом величина привески скелета цементного раствора в конце 1 интервала времени не изменилась, что подтверждает физико-химическую природу процесса увеличения веса твердого тела, находящегося в формирующемся цементном камне.

3.2.5. Влияние материала и формы твердого тела на характер изменения его веса в формирующемся цементном камне

Для оценки влияния материала твердого тела, погружаемого в цементную суспензию, на характер изменения его веса в формирующемся цементном камне были проведены испытания с применением латунного стержня (тест №1), стеклянного стержня (тест №24) и стержня из полиацеталя (тест №59). Габариты стержней во всех случаях были одинаковыми (диаметр стержня d=10 мм, глубина погружения стержня в цементный раствор Lпогр=39 мм). Результаты испытаний представлены на рисунках 3.10-3.11.

1 1 1 1

1 1 1. 1, 1 1 1 3 _ 4

1 1 1 1

1 1 1 1 Л

1 1 1 1 1 1 . V

1 1 , 1 1 г

\ 1 / '( /

/ 1™У

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Время после кондиционирования, мин

Тест №1. Латунный стержень. й=10 мм. Нпогр=39мм. Тст=35 град.С. 1900:100%6+3%СаС12.

Тест №21. Стеклянный стержень. 0=10 мм. Нпогр=39мм.Тст=35 град.С. 1900:100%6+3%СаС12.

Тест №22. Полиацеталь. 0=10 мм. Нпогр=39мм. Тст=35 град.С. 1900:100%е+3%СаС12.

Рисунок 3.10 - Влияние материала Рисунок 3.11 - Влияние материала твердого тела на характер изменения твердого тела на скорость изменения привески скелета цементного раствора привески скелета цементного

на его поверхность раствора на его поверхность

При применении стеклянного стержня (тест №24) наблюдается увеличение величины привески и скорости роста привески скелета цементного раствора на 1 интервале и снижение величины привески и скорости роста привески на 3 интервале времени. Материал стержня слабо повлиял на характер изменения веса стержня на 4 интервале времени. При применении стержня из полиацеталя (тест №27) отмечен скачкообразный характер изменения привески скелета цементного раствора на стержень (рисунок 3.11), что может говорить о проскальзывании цементного теста при его разгрузке на поверхность твердого тела в связи со слабым сцеплением с поверхностью последнего.

Было отмечено, что независимо от материла твердого тела, находящего в формирующемся цементном камне, при одинаковой обработки поверхности последнего величина и характер изменения привески скелета цементного раствора на поверхность твердого тела сохраняются, что позволяет исключить электрокинетическую природу процесса увеличения веса твердого тела, находящегося в формирующемся цементном камне.

Для учета влияния формы твердого тела, погружаемого в цементную суспензию, были проведены испытания с применением пластины, площадь контакта с цементной суспензией которой была сопоставима с площадью контакта латунного стержня с формирующимся цементным камнем (тест №28: ширина пластины 31,5 мм, глубина погружения пластины 39 мм, толщина пластины 0,35 мм). Результаты испытаний в сравнении со стержнем представлены на рисунках 3.12-3.13.

Рисунок 3.12 - Влияние формы твердого Рисунок 3.13 - Влияние формы тела на характер изменения привески твердого тела на скорость изменения скелета цементного раствора на его привески скелета цементного

поверхность раствора на его поверхность

Отмечено, что изменение формы твердого тела не повлияло на характер изменения его веса на 1 и 2 интервалах времени. При этом величина привески и скорость изменения привески на 3 и 4 интервалах времени уменьшились, что, предположительно, связано с меньшим вкладом снижения выталкивающей силы при гидратации вяжущего материала на характер изменения веса твердого тела для пластины в сравнении со стержнем.

3.2.6. Влияние статической температуры на характер изменения веса твердого тела, находящегося в формирующемся цементном камне

Для оценки влияния статической температуры на характер изменения веса твердого тела, находящегося в формирующемся цементном камне, были проведены испытания при температурах 25 °С (тест №80), 40 °С (тест №82), 60 °С (тест №81). Результаты испытаний для цементного раствора базовой рецептуры представлены на рисунках 3.14-3.15.

Рисунок 3.14 - Влияние статической Рисунок 3.15 - Влияние статической температуры на характер изменения температуры на скорость изменения привески скелета цементного раствора привески скелета цементного

на стержень раствора на стержень

Отмечено, что при увеличении статической температуры, наблюдается сокращение продолжительности интервалов 1-4, а также увеличение скорости изменения привески на интервалах времени 3-4, что также подтверждает физико-химическую природу процесса увеличения веса твердого тела, находящегося в формирующемся цементном камне. При статической температуре 60 °С (тест №81) наблюдается отсутствие прироста веса твердого тела на 1 интервале времени, что, предположительно, связано с тепловым расширением системы, которое

компенсирует прирост веса, вызванный сползанием скелета цементного раствора.

52

Результаты испытаний по изучению влияния факторов на характер изменения веса твердого тела, находящегося в формирующемся цементном камне, опубликованы в работе [37], в качественном виде представлены ниже в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Результаты анализа факторов, влияющих на характер изменения веса твердого тела, находящегося в

формирующемся цементном камне

Фактор Способ оценки фактора Интервал 1 Интервал 2 Интервал 3 Интервал 4

Т ДМ ДО Т Т ДМ ДО Т ДМ ДО

Площадь контакта твердого тела с формирующимся камнем Увеличение глубины погружения твердого тела = Т Т = = 1 1 = = =

Обработка поверхности твердого тела Напыление на поверхность кварцевого песка = Т Т = = 1 1 = = =

Нанесение на поверхность пленки смачивателя - 1 1 = = Т Т = = =

Нанесение на поверхность пленки гидрофобизирующей жидкости = Т Т = = 1 1 = = =

Обработка поверхности вмещающего стакана Напыление на поверхность кварцевого песка = = = = = = = = 1 1

Нанесение на поверхность пленки смачивателя = = = = = = = = Т Т

Нанесение на поверхность пленки гидрофобизирующей жидкости = = = = = = = = 1 1

Таблица 3.1. Результаты анализа факторов, влияющих на характер изменения веса твердого тела, находящегося в

формирующемся цементном камне (продолжение)

Фактор Способ оценки фактора Интервал 1 Интервал 2 Интервал 3 Интервал 4

Т ДМ ДО Т Т ДМ ДО Т ДМ ДО

Наличие столба свободной жидкости над формирующимся цементным камнем Водоотделение/моделирование столба свободной жидкости = = = = = 1 1 = 1 1

Форма твердого тела Изменение формы твердого тела: стержень - пластина = = = = = 1 1 = 1 1

Статическая температура Увеличение статической температуры (циркуляционная - без изменений) 1 =/|** =/|** 1 1 1 Т 1 = Т

Материал твердого тела Латунь-полиацеталь = Т Т = = =* =* = 1* 1*

Латунь-стекло = Т Т = = 1 1 = = =

Т - продолжительность интервала, ДМ - величина привески скелета цементного раствора на поверхность твердого

тела, ДО - скорость изменения привески скелета цементного раствора на поверхность твердого тела, = - без изменений в сравнении с базовым составом, Т - увеличение в сравнении с базовым составом, | - уменьшение в сравнении с базовым составом.

* Проскальзывание, сползание формирующегося цементного камня по поверхности твердого тела (зафиксированы скачки на кривой изменения привески скелета цементного раствора); ** уменьшение, вызванное тепловым расширением.

3.3. Разработка описательной модели изменения веса твердого тела, находящегося в формирующемся цементном камне

На твердое тело, находящееся в цементной суспензии, действуют сила тяжести Fтяж, сила Архимеда FА, а также касательная сила трения на поверхности стержня Fтp (рисунок 3.16).

V

с с1 ■*-► Л

к г 1 Ртр |

Ртяж

О ■ <-►

Рисунок 3.16 - Силы, действующие на твердое тело, находящееся в

цементной суспензии Силу тяжести Fтяж (Н) определяют по формуле:

^тяж ^ст • 9 • Рм> (3.1)

где Уст - объем стержня, м3; g- ускорение свободного падения, м/с2; рм -плотность материала стержня, кг/м3.

Силу Архимеда FА (Н) определяют по формуле:

= Кт • 9 • Ртж; (3.2)

где ртж. - плотность технологической жидкости, в которую погружен стержень, кг/м3.

Результирующую силу, действующую на стержень, определяют по формуле:

Р = £тяж — ^Л ± ^гр = ^ст • 9 • (Рм — Рт.ж.) ± ^гр' (3.3)

где Fтp - касательная сила трения на поверхности стержня, Н.

На основании проведенных испытаний, обобщения полученных в главах 4 и 5 результатов можно утверждать, что сила трения является функцией многих факторов:

^гр f(P^ В, £ст' ^стакан' Тст, БУР, Срд, СадГ. полимер, (3.4)

Якео, в и др.),

где t - время проведения испытаний; Sк - площадь контакта стержня с цементно-минеральной суспензией, которая определяется диаметром стержня d и глубиной его погружения в суспензию ^ D - внутренний диаметр вмещающего стакана; ест и 8стакан - чистота поверхностей стакана и стержня, которая характеризует степень их гладкости и характер обработки; Тст -статическая температура; FW - наличие свободной жидкости над цементной суспензией; ЗУБ - содержание твердой фазы в объеме суспензии; СРд и Садг.полимера - концентрации расширяющей добавки и полимера, обладающего адгезионными свойствами, ЯЪео - реологические свойства жидкости затворения (пластическая вязкость и динамическое напряжение сдвига), 0 -структурная прочность цементного теста.

Знак в формуле (3.3) определяется характером изменения объема цементной суспензии в результате гидратации вяжущего материала: сила сонаправлена с силой тяжести при уменьшении объема суспензии в результате контракции и усадки, направлена противоположно силе тяжести - при увеличении объема в результате роста кристаллогидратов в решетке формирующегося камня.

Проведенные испытания позволили разработать следующую описательную модель изменения веса твердого тела, находящегося в формирующемся цементном камне.

• Интервал времени 1 (начальный рост веса твердого тела) связан с трением твердой фазы цементной суспензии (частиц цемента и наполнителей) при седиментации последних под действием силы гравитации. Уменьшение внешнего объема системы происходит при потреблении цементными зернами

молекул воды. Поскольку в начальный момент времени прочность структуры низка, изменение внешнего объема происходит только в вертикальной плоскости.

Уменьшением внешнего объема на 1 интервале времени, предположительно, связано с сорбцией цементными зернами жидкости затворения. Данное утверждение согласуется с теорией растворения, предложенной группой авторов [63] для объяснения индукционного периода при гидратации портландцемента. Согласно данной теории при контакте алита с водой на поверхности последнего в наиболее слабых местах (структурные дефекты зерен) образуются ямки травления. Внутри ямки происходит быстрое растворение трехкальциевого силиката, что приводит к образованию продуктов гидратации внутри ямки травления [62]. Данный процесс продолжается до тех пор, пока продукты гидратации не достигнут внешней поверхности частицы. Важно отметить, что сегодня теория растворения, описывающая индукционный период, получила широкое распространение.

Интервал времени 1 характеризует седиментацию дисперсной фазы до набора структурной прочности (01), препятствующей ее осаждению. При отсутствии привески скелета суспензии на 1 интервале времени можно утверждать о седиментационной устойчивости суспензии.

По результатам проведенных испытаний величина привески скелета цементного раствора на поверхность твердого тела на 1 интервале времени в большей мере зависит от площади контакта, от материала и характера обработки поверхности твердого тела (таблица 3.1). При этом форма твердого тела, характер обработки вмещающего стакана не оказывают влияния на величину и характер изменения привески скелета цементного раствора. Продолжительность интервала определяется скоростью гидратации вяжущего материала.

• Интервал времени 2 (стабилизация веса твердого тела) связан с

началом стадии роста прочности (статического напряжения сдвига)

формирующегося цементного теста, в результате чего седиментация твердой

58

фазы прекращается, т.е. система находится в состоянии баланса. Данное утверждение подтверждается испытаниями по сопоставлению начала 2 периода времени и момента активного роста прочности формирующегося цементного теста (рисунок 2.3), оцененного с помощью ультразвукового анализатора цемента. Сравнительные испытания проводились для тампонажных растворов плотностями 1800, 1850, 1900, 1950 кг/м3. Во всех случаях получена достоверная связь начала 2 периода времени и момента активного роста СНС. По результатам проведенных испытаний продолжительность 2 интервала времени определяется скоростью гидратации вяжущего материала (таблица 3.1).

Таким образом, начало 2 интервала времени характеризует момент времени, при котором суспензия обладает структурной прочностью, препятствующей осаждению дисперсной фазы.

• Интервал времени 3 (активный рост веса твердого тела) связан с развитием вакуума в межзерновом пространстве при связывании свободной воды и переходе ее в более плотное состояние. В данный интервал времени происходит втягивание подвижного цементного теста в вертикальной плоскости по направлению силы тяжести. Данное утверждение согласуется с работой [73], в которой показано, что связывание зернами цемента жидкости затворения приводит к развитию вакуума в межзерновом пространстве, в результате чего наблюдается уменьшение объема системы.

По результатам 3.2.1 (рисунок 3.3) на данном интервале времени отсутствует корреляция привески скелета суспензии с площадью контакта стержня с суспензией, что может свидетельствовать о том, что система ведет себя как единое, связанное тело во всем объеме. Поскольку цементная суспензия является неньютоновской жидкостью, можно утверждать, что сползание объема цементного теста в вертикальной плоскости будет происходить до момента времени, при котором будет выполняться неравенство:

4 • в • I (3.5)

Рсусп '9 • ' > ^ '

где рсусп - плотность суспензии, в которую погружен стержень, кг/м3; g-ускорение свободного падения, м/с2; 1 - высота столба цементной суспензии, м; dг - гидравлический диаметр, м; 0 - структурная прочность цементного теста, Па.

Правая часть неравенства (3.5) характеризует напряжение сдвига столба суспензии [23].

Интервал времени 3 характеризует характер сцепления твердого тела с формирующимся цементным тестом-камнем. Отмечено, что при лучшем контакте твердого тела с цементным тестом величина привески и скорость роста привески на 3 интервале времени сокращаются (рисунки 3.1-3.2 тест .№7, рисунки 3.4-3.5 тесты №9-10, рисунки 3.10-3.11 тест №24), что связано с большим сопротивлением системы «формирующийся цементный камень-твердое тело» ее стягиванию в связи с развитием вакуума в межзерновом пространстве.

По результатам проведенных испытаний величина привески и скорость роста привески скелета цементного раствора на 3 интервале времени в большей степени зависят от площади контакта твердого тела с формирующимся цементным камнем, от характера обработки и от материала поверхности твердого тела. Также отмечено, что при увеличении величины привески на 1 интервале времени наблюдается ее уменьшение на 3 интервале времени (рисунки 3.1-3.2, 3.4-3.5), что также связано с лучшим контактом твердого тела с формирующимся цементным камнем.

• Интервал времени 4 (снижение скорости роста привески скелета цементного раствора на поверхность твердого тела, выполаживание кривой изменения веса твердого тела) связан с усадкой формирующегося цементного камня в связи с продолжающим развитием вакуума в межзерновом пространстве. В данной момент времени наблюдается отслоение цементного камня от внешней стенки, который при этом разгружается на поверхность

60

помещенного внутрь объема твердого тела. Объем формирующегося камня уменьшается как в вертикальной, так и горизонтальной плоскостях.

Можно утверждать, что уменьшение объема в горизонтальной плоскости будет наблюдаться при выполнении неравенства:

„ Рсусп • 9 • ¿г (3.6)

" >-л-■

4

Выполаживание кривой изменения веса твердого тела на 4 интервале времени будет наблюдаться при достижении структурной прочности, препятствующей усадочным деформациям системы. Именно в данный момент времени (в момент времени, при котором наблюдается максимальная разгрузка цементного теста на поверхность стержня) система наиболее проницаема, так как в более позднем периоде времени будет происходить расширение системы в результате роста кристаллогидратов в кристаллической решетке формирующегося камня, что будет приводить к уменьшению проницаемости системы (таблица 2.1).

По результатам проведенных испытаний величина привески скелета цементного раствора на поверхность твердого тела на 4 интервале времени в большей мере зависит от характера обработки поверхности вмещающего стакана (таблица 3.1, рисунки 3.6-3.7). При этом характер обработки поверхности твердого тела не оказал существенного влияния на величину и характер изменения привески скелета цементного раствора (рисунки 3.4-3.5). Продолжительность интервала также определяется скоростью гидратации вяжущего материала.

Интервал времени 4 характеризует характер сцепления формирующегося цементного камня с поверхностью вмещающего стакана. Отмечено, что при лучшем контакте величина привески и скорость роста привески на 4 интервале времени уменьшаются (рисунки 3.6-3.7 тесты №1112), что говорит о меньшей разгрузке формирующегося цементного камня на поверхность твердого тела в связи с большим сцеплением с поверхностью вмещающего стакана.

На рисунке 3.17 показаны процессы, оказывающие влияние на изменение веса твердого тела в формирующемся цементном камне при отсутствии столба воды над цементным тестом.

ГС

о. гс о

Р (О

0) £

с; о

ф гс

а: а.

* 2

о о

и X

<в н

т х

5 О)

с 5

с <ц

а-

/

/ 1 1

/

/

--- ---- Т кр 1 .

Интервал 1: седиментация твердой фазы, уменьшение объема в вертикальной плоскости Интервал 2: рост СНС, стабилизация объема системы Интервал 3: стягивание объема в вертикальной плоскости Интервал 4: стягивание объема в вертикальной и горизонтальной плоскостях (отслоение от внешней стенки)

время

яннн

цементный раствор VI

_внешней стенки)_

цементный

раствор У2 (У2<У1)

цементный

раствор УЗ(УЗ=У2)

цементный

раствор У4 (У4<УЗ)

цементный

раствор У5 (У5<У4)

Рисунок 3.17 - Процессы, оказывающих влияние на изменение веса твердого тела в формирующемся цементном камне при отсутствии столба

воды над цементным тестом При наличии над формирующимся цементным камнем столба воды, в том числе при расслоении цементной суспензии, отмечено отсутствие прироста веса твердого тела в интервалах времени 3 и 4 (рисунки 3.8-3.9), что может говорить о проникновении свободной жидкости в структуру формирующегося камня и по поверхности твердого тела на этапе развития вакуума в межзерновом пространстве, а также о слабом контакте формирующегося цементного теста-камня с поверхностью помещенного внутрь объема твердого тела или об отсутствии контакта. Наличие столба свободной жидкости не повлияло на характер изменения веса твердого тела на 1 интервале времени.

Моделирование столба воды над цементной суспензией позволяет оценить способность цементного теста сопротивляться проникновению свободной жидкости на этапе развития вакуума в межзерновом пространстве и сохранять контакт с поверхностью твердого тела в более характерных для скважины условиях. В главе 4.2 показано, что при применении определенных групп водорастворимых полимеров происходит блокирование поступления свободного флюида в структуру формирующегося цементного камня, что характеризуется разгрузкой цементного теста на внутреннюю контактирующую поверхность.

На рисунке 3.18 показаны процессы, оказывающие влияние на изменение веса твердого тела в формирующемся цементном камне при наличии столба воды над цементным тестом.

Рисунок 3.18 - Процессы, оказывающих влияние на изменение веса

твердого тела в формирующемся цементном камне при наличии столба воды

над цементным тестом

Установлено, что во время ОЗЦ «нагрузка на крюк, на котором висит

обсадная колонна, возрастает, и вскоре после окончания процесса вес колонны

становится равным ее весу до цементирования» [4]. В соответствии с

разработанной нами описательной моделью изменения веса твердого тела в

формирующемся цементном камне, можно предположить, что данное явление

63

связано со сползанием скелета цементного раствора на начальном этапе, что приводит к увеличению веса колонны. В процессе формирования камня, развития вакуума в межзерновом пространстве, стягивания цементного теста связь формирующегося камня с колонной в данном случае, предположительно, теряется, что приводит к восстановлению веса колонны.

«Правда, отмечены случаи, когда некоторая нагрузка сохраняется» [4]. Данное явление может свидетельствовать о сохранении связи формирующегося камня со стенкой обсадной колонны. «...но зафиксированы и случаи, когда вес колонны становился ниже ее веса до цементирования» [4], что также может говорить о сохранении связи формирующегося камня с колонной. Уменьшение веса может быть связано с развитием кристаллизационного давления в процессе формирования камня. В главе 5.4 показано, что при применении минеральных расширяющих добавок величина привески скелета раствора на стержень в определенный момент времени уменьшается.

Важно отметить, что на изменение веса колонны в скважинных условиях дополнительно будут влиять такие факторы, как фильтратоотдача, периодические колебания уровня моря при строительстве скважин на континентальном шельфе, температурные колебания по глубине скважины и ряд других факторов. В связи с чем сложно прогнозировать дополнительную растягивающую нагрузку на колонну применительно к скважинным условиям. Максимальная величина дополнительной осевой нагрузки на обсадной колонну в процессе ОЗЦ будет определяться весом столба цементного раствора в кольцевом пространстве при его полной разгрузке на колонну. Разработанная нами описательная модель изменения веса твердого тела, находящегося в формирующемся цементном камне, позволяет проводить сравнительную качественную оценку характера сцепления последнего с внешней и внутренней ограничивающими поверхностями в переходном периоде времени в динамике при наличии и отсутствии внешней подпитки.

3.4. Выводы по главе 3

1. Показано, что на характер изменения веса твердого тела, находящегося в формирующемся цементном камне, оказывают влияние такие факторы, как статическая температура, материал и форма твердого тела, способ обработки поверхности твердого тела, площадь контакта твердого тела с формирующимся цементным камнем, обработка поверхности вмещающего стакана, наличие столба свободной жидкости над формирующимся цементным камнем.

2. Экспериментально доказано, что процесс увеличения веса твердого тела имеет физико-химическую природу, а не электро-кинетическую.

3. На основании характера изменения привески скелета цементного раствора на твердое тело во времени и по скорости роста привески выделены интервалы времени, которые связаны с физико-химическими процессами гидратации вяжущего материала. Впервые предложена описательная модель изменения веса твердого тела, находящегося в формирующемся цементном камне, которая не противоречит общепринятой теории гидратации вяжущих материалов.

4. Показаны следующие возможности методы гидростатического взвешивания.

• Оценка седиментационной устойчивости суспензий по величине привески скелета последней на 1-ом интервале времени.

• Оценка момента времени, при котором суспензия обладает структурной прочностью, препятствующей осаждению дисперсной фазы (начало 2-го интервала времени).

• Оценка времени начала и окончания отслоения формирующегося цементного камня от внешней стенки (начало и конец 4-го интервала времени).

• Оценка характера сцепления формирующегося цементного камня с внешней и внутренней поверхностями по величине привески скелета цементного раствора на твердое тело и по скорости роста привески.

• Оценка способности цементного теста сопротивляться проникновению свободной жидкости на этапе развития вакуума в межзерновом пространстве и сохранять контакт с поверхностью твердого тела при моделировании столба свободной жидкости над цементной суспензией по наличию или отсутствию разгрузки цементного теста на внутреннюю контактирующую поверхность на 3-ем и 4-ом интервалах времени.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕРОПРИЯТИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ

ИЗОЛИРУЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ФОРМИРУЮЩЕГОСЯ ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ ПУТЁМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ

БЛОКИРУЮЩИХ ДОБАВОК

4.1. Классификация и механизм действия полимерных блокирующих добавок, применяемых в рецептурах тампонажных растворов

Полимерные добавки активно применяют в рецептурах тампонажных растворов в качестве понизителей фильтратоотдачи. Сегодня широко распространены водорастворимые полимеры на основе гидроксиэтилцеллюлозы (ГЭЦ) [54; 55; 69; 95], поливинилового спирта (ПВС) [47; 58; 76; 111], 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты (АМПС) [44; 61; 86; 92-94; 106; 109; 112]. Известны случаи применения жидкого латекса как в качестве понизителя фильтратоотдачи, так и в качестве блокатора поступления пластового флюида [51-53; 67; 78; 96; 99].

Механизм снижения фильтратоотдачи при применении перечисленных добавок основан на увеличении вязкости жидкости затворения и уменьшении проницаемости фильтрационной корки. По мнению авторов работы [85], снижение проницаемости фильтрационной корки является более важным параметром при регулировании фильтрационных свойств цементных растворов.

Необходимо отметить, что при температурах ниже 60-65 °С водорастворимые полимеры на основе гидроксиэтилцеллюлозы обладают выраженным замедляющим эффектом. При этом при увеличении температуры эффективность полимера снижается.

ПВС применяют в цементных суспензиях в диапазоне нормальных температур из-за отсутствия замедляющего эффекта на гидратацию вяжущего материала. При температуре выше 38° несшитый ПВС начинает растворяться в воде, в результате чего в структуре фильтрационной корки

образование пленки полимера становится невозможным, а применение данной группы добавок становится нерациональным [58]. Кроме того, в работе [85] показано, что эффективность ПВС сильно чувствительна к его концентрации, что требует большой осторожности при приготовлении сухой смеси в полевых условиях.

Ограничением для широко применения жидкого латекса является его стоимость, а также высокая пенящая способность в процессе затворения цементной суспензии.

В работе [43] показано, что водорастворимые полимеры на основе 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты способны образовывать в растворе коллоидные агрегаты, связываться с поверхностью цементного зерна и таким образом экранировать поровое пространство. При этом водорастворимые полимеры на основе АМПС мономеров обладают менее выраженным замедляющим эффектом в сравнении с ГЭЦ.

4.2. Изучение влияния полимерных блокирующих добавок на сцепление формирующегося цементного камня с внешней и внутренней ограничивающими поверхностями в переходном

периоде времени

Было изучено влияние следующих водорастворимых полимеров на сцепление формирующегося цементного камня с внешней и внутренней ограничивающими поверхностями в переходном периоде времени:

• водорастворимые полимеры на основе гидроксиэтилцеллюлозы (ГЭЦ);

• водорастворимые полимеры на основе 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты (АМПС);

• поливинилацетат (ПВА);

• стирол-бутидиеновый жидкий латекс (Латекс).

Характер сцепления оценивался косвенным методом по величине привески скелета цементного раствора на поверхность твердого тела,

находящегося в формирующемся цементном камне (глава 2.1, глава 3.3). Также изучалась способность формирующегося цементного камня сохранять контакт с поверхностью помещенного внутрь объема твердого тела на этапе развития вакуума в межзерновом пространстве при наличии внешней подпитки.

В качестве базового состава готовился цементный раствор плотностью 1900 кг/м3 из цемента марки ПЦТ-I-G-CCl (ООО "СЛК Цемент") в соответствии со стандартом ISO 10426-2:2003 (пункт 5). Предварительное кондиционирование тампонажных растворов происходило при 50 °С в течение 40 минут, статическая температура равнялась 60 °С. Концентрация полимеров на основе АМПС, ГЭЦ равнялась 0,8% по весу цемента (взяты предельные концентрации добавок в соответствии с рекомендациями производителей), концентрация ПВА - 2% по весу цемента (на основании рекомендаций [48; 66; 80; 81; 103]), концентрация жидкого латекса - 133 л/т сухого цемента (на основании рекомендаций [64]). Результаты испытаний представлены на рисунках 4.1-4.2.

140 120 100 80 60 40 20

Г _J А

1 Z 1

к

О 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300

Время после кондиционирования, мин

-Тест №55. Латунный стержень. 0=10 мм. Нпогр=39мм. Тст=бС град.С. 1900:100%С+0,8%АМПС(1)

-Тест №56. Латунный стержень. 0=10 мм. Нпогр=39мм. Тст=6С град.С. 1900:100%С+0,8%ГЭЦ(1)

Тест №57. Латунный стержень. 0=10 мм. Нпогр=39мм. Тст=6С град.С. 1900:100%С+2%ПВА

-Тест №58. Латунный стержень. 0=10 мм. Нпогр=39мм. Тст=6С град.С. 1900:100%6+133л/т Латекс(ж)

Рисунок 4.1 - Влияние полимерных Рисунок 4.2 - Влияние полимерных добавок на изменение привески добавок на изменение привески

скелета цементного раствора на скелета цементного раствора на

стержень при отсутствии внешней стержень при наличии столба воды

подпитки над цементным тестом

При применении жидкого латекса (рисунок 4.1, тест №58) наблюдается

наименьшее значение величины привески скелета цементного раствора на

поверхность твердого тела как на этапе развития вакуума в межзерновом

пространстве (3 интервал времени 125-150 минут), так и на этапе отслоения

цементного теста от внешней стенки (4 интервал времени 150-200 минут).

Величина привески скелета цементного раствора на стержень по истечении

200 минут составила порядка 60 грамм. На основании разработанной в главе 3

описательной модели изменения веса твердого тела, находящегося в

формирующемся цементном камне, можно заключить, что именно при

применении жидкого латекса отмечается лучшая связь формирующегося

камня как с поверхностью твердого тела, так и с внешней ограничивающей

стенкой при указанном температурном режиме испытаний.

При применении ПВА и ГЭЦ (рисунок 4.1, тесты №56-57) привесок