Исследование влияния расширяющихся добавок на прочность цементного раствора-камня

 

В статье рассматривается изучение свойств цементного раствора-камня и управление его свойствами.Проведены исследования расширяющихся добавок на основе оксида кальция и получены зависимости прочности цементного камня от состава сухой смеси.

Ключевые слова:гидратация расширяющейся добавки,тампонажные материалы с расширяющимися свойствами, раствор-камень, обсадная колонна,солевая смесь.

 

Опыт строительства и эксплуатации скважин показывает, что использование известных технических решений нередко влечет за собой низкое качество разобщения пластов, разрушение и потерю крепи скважины. Это говорит о том, что существующие подходы к формированию свойств технологических жидкостей в виде буровых и тампонажных растворов не всегда позволяют успешно решать технические проблемы строительства скважин в интервалах, представленных неустойчивыми глинистыми отложениями, повышенными температурами, высокой агрессивностью пластовых флюидов и т. д.

Разработка новых подходов к управлению свойствами буровых и тампонажных растворов в сложных горно-геологических условиях во многом осложнена недостаточной изученностью изменения свойств компонентов буровых и тампонажных растворов на их технические свойства. Поэтому необходимо направленно управлять состоянием компонентов буровых и тампонажных растворов для предотвращения различных осложнений в строительстве и длительной эксплуатации скважин, обеспечения максимальной отдачи углеводородов из продуктивного пласта.

Одной из причин некачественного цементирования скважин является плохое сцепление цементного камня с обсадной колонной и стенками скважины. Особенно эта проблема усугубляется при креплении наклонных, горизонтальных скважин, строительстве боковых стволов, на сложнопостроенных месторождениях с близким расположением водяных и нефтегазовых пластов. Как показали исследования, подтвержденные практикой, качество цементирования резко повышается при применении расширяющихся цементных растворов.

Проблема, способствующая негерметичности крепи, является наличие усадочных деформаций цементного теста-камня, приводящих к формированию зазоров между цементным камнем и породой и цементным камнем и колонной труб. Неудовлетворительное состояние заколонного пространства в газовых скважинах приводит к возникновению межколонного давления (МКД) и нарушению условий эксплуатации действующего скважинного фонда.

Таким образом, выбирая добавки для приготовления тампонажного раствора, необходимо в первую очередь руководствоваться особенностями процессов, происходящих при твердении цемента.

Известно, что процесс гидратации расширяющейся добавки на основе СаО начинается с момента ее затворения в воде. Учитывая, что процесс цементирования может продолжаться от 1 до 3-х часов и более, необходимо подбирать рецептуру расширяющегося тампонажного материала (РТМ) таким образом, чтобы сохранялись расширяющиеся свойства добавки и после завершения процесса цементирования. Как показывают исследования [1.2], длительность процесса цементирования приводит к снижению величины расширения цементного раствора камня. Если же процесс гидратации СаО завершается до завершения цементирования или до начала загустевания тампонажного раствора, применение расширяющихся добавок не дает положительного эффекта.

Исследования показывают, что при введении расширяющихся добавок (РД) на основе оксида кальция с увеличением объемного расширения раствора-камня прочность цементного камня снижается. Об этом свидетельствуют результаты испытаний РТМ с расширяющейся добавкой марки «СИГБ» проведенные в лабораторных условиях и наплощадях Бухара — Хивинской нефтегазовой области республики Узбекистан приведенные в таблице 1. Откуда видно, что расширение цементного камня возрастает с увеличением содержания РД в составе сухой смеси, однако прочность цементного камня с увеличением расширения снижается. Для состава с содержанием РД марки «СИГБ» в количестве 8 % прочность цементного камня на изгиб через двое суток составила лишь 0,5 МПа, что не удовлетворяет технологическим требованиям.

Исследования изменения прочности цементного камня из РТМ показывают, что прочность со временем возрастает, то есть цементный камень с расширяющейся добавкой в процессе твердения имеет свойство частично восстанавливать прочность или «самозалечиваться».

Процесс расширения тампонажного раствора-камня с РД на основе СаО обычно продолжается от нескольких часов до 2–3 суток в зависимости от температуры твердения тампонажного раствора и температуры обжига карбоната кальция при ее декарбонизации.

 

Таблица 1

Влияние содержания «СИГБ» на показатели тампонажного раствора и цементного камня наплощадях Бухара — Хивинской нефтегазовой области

№	Состав РТМ, в %		В/Ц	Дср, в см.	Прочность цементного камня на изгиб, МПа через:			Расширение через 2-е суток, в %
	ПЦТ 1–50	СИГБ			2 суток	7 суток	12 суток
1	100	-	0,5	20,4	3,35	6,7	8,50	-
2	98	2	0,5	21,0	2,40	5,0	6,42	0,73
3	96	4	0,5	21,2	1,22	4,2	5,12	3,70
4	94	6	0,5	21,3	0,73	3,2	3,95	7,56
5	92	8	0,5	21,7	0,50	2,8	3,50	9,48

 

Динамика расширения цементного раствора-камня в зависимости от количества РД в сухой смеси приведена на рис.1. Из приведенных графиков видно, что расширение цементного раствора-камня при нормальной температуре начинается только после 2- 4-х часов твердения в покое. При этом темпы расширения раствора-камня определяются количеством РД в нем. Если для состава с содержанием РД в количестве 2 % после 48 часов твердения расширение составляет, лишь 0,74 %, с увеличением добавки в два раза (до 4 %), расширение возрастает более чем в пять раз — до 3,7 %. Таким образом, расширение цементного раствора-камня растет с увеличением содержания РД непропорционально ее содержанию в смеси. При малых количествах РД, до 1–1,5 %, расширение может вообще не проявляться.

Величина давления от расширяющегося цементного раствора-камня на ограничивающие ее поверхности зависит от прочности структуры цементного камня, которая возрастает по мере гидратации цемента. При позднем расширении цементный камень оказывает большее давление на стенки скважины, что является положительным, однако расширение цементного камня в поздние сроки его твердения приводит к разрушению ее структуры. В результате при определении прочности цементного камня позднее расширение приводит к большему снижению его прочности, что является одной из причин, осложняющих его применение.

Рис. 1. Динамика расширения цементного раствора-камня в зависимости от содержания «СИГБ»

 

Как показывают исследования, если действие РД продолжается более суток, дальнейшее расширение образцов в свободном состоянии приводит к существенному снижению прочности цементного камня, и даже может привести к его саморазрушению. Если же твердение образцов из РТМ будет продолжаться до момента испытания в ограниченных условиях, например в формах, что ближе к условиям твердения цемента в скважине, их прочность оказывается значительно выше [3].

Одной из проблем при разработке рецептур РТМ является управление его свойствами и, прежде всего его расширением. Для определения влияния ускорителей схватывания на величину и динамику расширения раствора-камня были проведены сравнительные испытания цементно-зольной смеси с содержанием расширяющейся добавки СаО в количестве 10 % от массы смеси. В качестве ускорителя твердения применялась солевая композиция (СК), представляющая собой солевую смесь с содержанием: CaCl2–53 %, NaCl — 38 %, H2O (связанная) — 8 %, CaSO4–0,5 %, Ca(OH)2- 0,2 %, остаток — 0,3 %.

При введении в тампонажный состав ускорителя твердения конечная величина расширения существенно снижается. Если расширение состава без СК через 24 часа составило 10,7 %, при добавлении в этот же состав СК его расширение снизилось почти в 5 раз и составило лишь 2,1 %. И это несмотря на то, что СК сама по себе проявляет некоторые расширяющие свойства.

 

Таблица 2

Влияние солевой композиции на свойства цементно-зольного тампонажного материала с добавкой негашеной извести

Состав тампонажной композиции, %			Ускоритель твердения, СК, в % к массе смеси	В/Ц	Дср, в мм.	Прочность цементного камня на изгиб через 2 суток, МПа	Расширение после суток твердения, в %
ПЦТ 1–50	Зола	Известь негашеная
70	18	12	-	0,580	210	1,82	10,81
70	18	12	4	0,580	220	2,41	2,10

 

Можно предположить, что солевая композиция оказывает тормозящее действие на химические процессы, приводящие к расширению тампонажного материала.

Существенное снижение в темпах расширения для обоих составов отмечается к концу схватывания, когда показатели по игле Вика приближаются к значению 39–40 единиц. После достижения конца схватывания расширение состава с добавкой СК составило лишь около 0,38 %, в то время как для состава без добавки СК этот показатель составляет около 1,05 %. Большие темпы расширения для состава без ускорителя твердения после конца схватывания по сравнению с составом, содержащим СК, объясняются меньшей ее прочностью (табл. 2).

Исходя из приведенных результатов исследований, механизм расширения тампонажных материалов с расширяющимися добавками может быть представлен следующим образом. Увеличивающиеся в объеме частицы расширяющейся добавки приводят к возникновению давления на стенки скважины через скелетную структуру цементного камня. Причем это давление может распределяться более равномерно по ограничивающим раствор поверхностям в период, когда твердеющий цементный раствор-камень еще является пластичным. В конце срока схватывания тампонажного раствора, когда структура цементного камня набирает прочность и уже меньше подвержена пластическим деформациям и способна оказывать большее сопротивление расширяющимся включениям в структуре цемента, темпы расширения существенно снижаются.

Темпы расширения твердеющего цементного камня зависят от прочности структуры формирующегося цементного камня и напряжений, возникающих от действия расширяющихся структур, которые в свою очередь определяются содержанием РД в тампонажной смеси и создаваемыми ими напряжениями расклинивания. В результате чем выше прочность цементного камня, тем больше требуется усилий для того, чтобы подвергать этот цементный камень пластическому течению или разрушению, следовательно, и его расширению. Если же количество РД мало, то оно будет создавать и меньшее удельное напряжение расклинивания в формирующейся структуре цементного камня. С повышением прочности структуры процесс расширения замедляется.

Таким образом, темпы расширения цементного камня в результате противодействия структурного каркаса цементного камня увеличивающимся в объеме частицам РД определяются соотношениями сил «противодействующих» сторон: с одной стороны, количества РД и развиваемого им удельного усилия распора при расширении, а также темпами его гидратации, и с другой стороны темпами загустевания и набора прочности структуры цементного раствора, которые зависят от температурных условий твердения и наличия в составе цементного раствора замедляющих или ускоряющих его твердение реагентов и добавок. Проблема получения расширяющегося тампонажного материала сводится к согласованию во времени процессов гидратации расширяющейся добавки с процессами формирования структуры цементного камня и набора им прочности.

 

Литература:

 

1. Каримов Н. X., Данюшевский B. C., Рахимбаев Ш. М. Разработка рецептур и применение расширяющихся тампонажных цементов / Обзорная информация, ВНИИОЭНГ, сер. «Бурение», М.: 1979.
2. Газизов Х. В., Маликов Е. Л. К методике испытания расширяющихся тампонажных материалов // Нефтяное хозяйство. 2011. № 5. С. 69–71.
3. Газизов Х. В. Расширение цементного раствора-камня и управление его свойствами. // Бурение и нефть. 2011. № 9,