Роль цементного кольца в разобщении пластов.

В практике строительства нефтяных, газовых и другого назначения скважин понятие о работах по креплению включает спуск обсадных колонн и их цементирование. Цементирование производится тампонажными растворами, представляющими собой суспензию из жидкости затворения и тампонажного материала. В качестве тампонажных материалов (цементов) применяются различные вяжущие вещества и композиции.

Основным требованием, предъявляемым к крепи скважины, является создание долговечно устойчивого канала, соединяющего продуктивные горизонты с устьем скважины и предотвращающего потерю транспортируемого по нему продукта в другие горизонты и, как следствие, облегчение охраны окружающей среды и проводимых пластов от загрязнения.

Наличие плотного цементного кольца вокруг обсадной колонны является достаточной гарантией надежности разобщения пластов и сохранности обсадной колонны.

Защитное действие цементного камня к металлу обусловлено двумя факторами. Во-первых, камень предотвращает физический контакт агрессора с металлом. Во-вторых, метал в условиях щелочной среды (рН>12) пассивируется, в результате чего на его поверхности образуется прочная окисная пленка, предохраняющая металл от разрушения. Процессы коррозии металла обсадных труб носят химический и электрохимический характер. Ингибирующее (защитное) действие тампонажного камня по отношению к обсадной колонне будет также определяться поровой структурой камня. Лучшая организация структуры порового пространства затвердевшего камня обеспечит минимальную скорость поступления агрессивных флюидов к металлу обсадной колонны. В этом случае фазовый состав продуктов твердения не будет иметь принципиального значения. Например, в глубоких скважинах для цементирования обсадных колонн используют вяжущие, дающие камень с равновесной рН продуктов твердения ниже 11, т.е. не пассивирующие металл. В то же время количество отказов обсадных колонн в этих условиях по причине коррозии значительно меньше, чем при цементировании традиционными вяжущими типа портландцемента.

При неудовлетворительных структурных параметрах цементного камня (высокая пористость и проницаемость) основную роль в защите обсадной колонны играет высокая рН поровой жидкости, так как благодаря только повышенной щелочности обеспечивается пассивирующий эффект.

Наряду с защитой обсадной колонны цементный камень в затрубном пространстве скважины выполняет и другую, едва ли не самую важную функцию: обеспечивает надежную герметизацию затрубного пространства и изолирует пласты друг от друга. Указанная задача также в основном решается формированием в затрубном пространстве цементного камня с высокими изоляционными и адгезионными к горной породе и металлу обсадной колонны свойствами.

При креплении скважин учитывать, что сам тампонажный камень является недостаточно стойким к большинству пластовых флюидов. Поэтому вопросы повышения долговечности крепи скважины, а также вопросы охраны недр и окружающей среды, в первую очередь, зависят от долговечности цементного камня, находящегося в затрубном пространстве скважины.

Долговечность камня также зависит от назначения скважины. Не учет этого фактора (условий работы скважины) привел к тому, что скважины всех категорий цементируются одним и тем же материалом по одной и той же технологии. В результате долговечность работы крепи скважин различного назначения различна. Для примера, по объединению Татнефть долговечность крепи нагнетательных скважин составляет 5-7 лет, эксплуатационных – 10-15 лет.

Требования к тампонажным материалам. ХЗ

Тампонажный раствор должен легко быть прокачиваемым. Прокачиваемость тампонажных растворов условно характеризуется растекаемостью по конусу АзНИИ, консистенцией в условных единица, динамическим напряжением сдвига и структурной вязкостью. Плотность цементного раствора должна быть выше плотности промывочной жидкости, вместе с тем давление на стенки скважины при цементировании не должно превышать давление гидроразрыва пласта. Отделение фильтрата из тампонажного раствора должно бытьминимальным, это диктуется необходимостью предотвратить загрязнение приствольной зоны пласта, преждевременное загустевания раствора. Тампонажные растворы должны быть седиментационно-устойчивыми, что способствует формированию цементного камня с одинаковой плотностью по всему зацементированному интервалу, снижает вероятность образования каналов в камне и на контактах со стенкой скважины. Прокачиваемость тампонажного раствора должна сохраняться в течение времени, достаточного для проведения цементирования. После продавливания тампонажного раствора за обсадную колонну, он должен быстро загустевать и схватываться. Цементный камень должен быть практически непроницаемым. Свойства цементного камня не должны ухудшаться со временем под действием высоких (низких) температур и давлений, а также при воздействии агрессивных по отношению к продуктам твердения пластовых флюидов. При переходе тампонажного раствора в камневидное состояние, не должна происходить его усадка. Тампонажный камень и раствор не должны вступать в физико-химическое взаимодействие с. горными породами и обсадными колоннами, влекущее разрушение и понижение прочности последних.

Твердение портландцемента.

При смешении цемента с водой на начальных стадиях в реакцию гидратации интенсивно вступает алюминат и алюмоферрит, благодаря более высокой константе скорости растворения по сравнению с алитом и белитом. Раствор становится пересыщенным по отношению к конечному продукту, и из пересыщенного раствора на поверхности зерен клинкера и в объеме раствора образуются иглообразные кристаллы гидроалюминатов и гидроферритов кальция различного состава. В общем виде их состав можно обеспечить nCaO.Al2O3.kH2O и nCaO.Fe2O3.kH2O. Значения коэффициентов могут изменяться в различных соотношениях и зависят, главным образом, от термодинамических условий процессов гидратации.

Под гидратацией понимают реакции клинкерных составляющих, с водой (присоединение воды), причем образуются твердые новообразования (гидраты), которые заполняют первоначально залитый цементом и водой объем плотным наслоением гелевых частиц, вызывая тем самым упрочнение.

Через некоторое время (3-6 часов) в системе накапливается достаточно много кристаллогидратов и образуются «стесненные» условия, приводящие к образованию коагуляционной структуры, которая по мере накопления гидроалюминатов переходит в кристаллизационную. Через 6-10 часов весь объем между постепенно уменьшающимися зернами цемента заполняется скелетом иглообразных кристаллов – продуктов гидратации алюминатных составляющих клинкера. Эта структура иногда называется алюминатной. Цементный раствор, бывший до этого пластичным, начинает терять подвижность и набирать прочность.

В оставшемся объеме одновременно с алюминатной, но со значительно меньшей скоростью возникают продукты гидратации силикатных клинкерных минералов алита и белита, называемые гидросиликатами кальция. Последние образуют чрезвычайно тонкопористый ворс из очень малых кристаллов, так называемую силикатную структуру. Значение этой структуры со временем все более увеличивается. Она является собственно носителем прочности цементного камня и приблизительно через 1 кутки начинает преобладать над алюминатной. К месячному сроку в цементном камне обнаруживается практически только силикатная структура. К этому времени процесс гидратации не заканчивается и в ряде случаев может продолжаться годами за счет не использованного клинкерного фонда цемента.

50. Структура цементного камня, и факторы ее определяющие. Без рисунка!

Для полной гидратации цементного зерна необходимо наличие 0,4-кратного количества воды от его массы. Из всей массы воды только 60% ее (т.е. 0.25% от массы цемента) связывается химически. Остальные 40% исходной воды остаются в порах цементного геля в слабосвязанном состоянии. Размер гелевых пор около 3 ^. 10^-8 см. Они неизбежны и служат причиной тонкопористого строения гелевой массы. При химическом связывании вода претерпевает объемную контракцию, которая составляет около ¼ ее первоначального объема. Поэтому плотный объем геля (без пор) на такую величину меньше суммы объемов исходных компонентов цемента и воды. Этот процесс называется усадкой, а освободившийся в цементном камне объем – объемом усадки. Когда цементный камень твердеет в воде или при высокой влажности, рассотренный объем пор заполняется водой. При полной гидратации цемента получается гель, объем которого примерно на 30% состоит из пор. Схематически объемные изменения представлены на рис. 3.1 [ ].

Рисунок 3.1 - Гидратация цемента в цементный камень на примере объемных изменений в цементном растворе, состоящего из 10 г цемента и 40 г воды (В/Ц=0,4)

Рассмотренный случай является идеальным и на практьике практически никогда не встречается. Если количество воды будет меньше 0.4 от массы цемента, то ее будет недостаточно для полной гидратации цементных зерен, и в цементном камне останутся непрореагировавшие зерна цемента. При избыточном количестве воды часть ее не участвует в процессе гидратации и образует в камне капиллярные поры диаметром около 10^-4 см, которые на несколько порядков больше гелевых пор. Примерно таких же размеров достигают и пустоты, возникающие в результате уже упомянутой усадки. Таким образом, водо-цементное отношение (В/Ц) в значительной мере определяет структуру цементного камня и его физико-механические свойства. На рис. 3.2-3.4 представлены объемные соотношения при различных значениях В/Ц и предельно возможной степени гидратации [ ]. Можно видеть, что суммарная пористость камня возрастает с увеличением В/Ц. Конечно, эти схемы не достаточно строго доказательны, но они позволяют наглядно представить влияние В/Ц на структуру цементного камня.

При твердении цементного камня в условиях скважины не удается достичь полной гидратации клинкерных минералов. Например, в образцах тампонажного камня, извлеченного из затрубного пространства, зацементированных 30-40 лет назад, обнаруживается значительное количество непрореагировавшего цемента. Учитывая низкую степень гидратации цемента, можно утверждать, что реальное водоцементное отношение прореагироввавшего цемента достаточно велико. Следовательно, тампонажный камень в затрубном пространстве скважин имеет весьма высокую пористость, причем пористость капиллярную, а, следовательно, и проницаемость цементного камня должна быть достаточно высока.