Ответ на вопрос: «Какие факторы и как их учитывают при выборе тампонажного материала для цементирования конкретного интервала скважины?»
Полноценный цементный камень защищает обсадную колонну от продольной и поперечной деформации, коррозии, изолирует проницаемые пласты и укрепляет стенки ствола скважины. Вероятность качественного цементирования снижается при увеличении интервала цементирования, при возникновении притоков пластового газа и флюидов из проницаемых интервалов и в значительной степени зависит от соответствия свойств тампонажного материала реальной горно-геологической обстановке и от реализованной гидравлической программы цементирования.
Цементирование устойчивых непроницаемых интервалов большой протяженности чаще всего не оправдано, т.к. повышает вероятность некачественного цементирования, особенно при низком градиенте гидроразрыва пород ствола скважины.
Основное назначение цементного камня – предотвратить возможность перетока жидкости (газа) из одного пласта в другой или в атмосферу.
- Требования к цементному раствору:
- раствор должен быть легко прокачиваемым, маловязким;
- иметь минимальную водоотдачу;
- седиментационно стабильным;
- по окончании прокачки в затрубном пространстве цементный раствор должен быстро превратиться в непроницаемое тело в конкретных условиях скважины.
- Цементный камень должен быть:
- малопроницаемым (в идеальном случае – непроницаемым);
- трещиностойким, эластичным;
- безусадочным, желательно некоторое увеличение объёма при твердении;
- термостойким и коррозионностойким;
- долговечным.
Требования к тампонажным материалам для цементирования нефтяных и газовых скважин в основном определяются геолого-техническими условиями в скважинах.
Проблема выбора материалов сложна. Тампонажный раствор должен оставаться подвижным во время транспортирования в заколонное пространство и сразу же после прекращения процесса затвердеть в безусадочный камень с определенными физико-механическими свойствами. Указанные процессы происходят в стволе скважины сложной конфигурации, где температуры и давления изменяются с глубиной, имеются поглощающие и высоконапорные пласты, а также пласты с наличием минерализованных вод, нефти и газа.
При таких изменяющихся условиях один тип цемента или одна и та же рецептура тампонажного раствора не могут быть одинаково приемлемы. Один тип цемента не может отвечать всем требованиям, связанным с разнообразием условий далее в одной скважине.
Геометрия заколонного пространства
Влияние этого фактора проявляется в двух направлениях. Чем «неправильнее» форма, т.е. чем больше она отличается от цилиндрической, тем труднее вытеснить буровой раствор из заколонного пространства. Чем больше выступов и сужений и чем они резче, тем больше при использовании без специальной химической обработки портландцементного или шлакового растворов образуется водных карманов вдоль ствола скважины.
При твердении тампонажного раствора в наклонных скважинах облегчается образование каналов непосредственно в тампонажном растворе за счет прохождения седиментационных процессов.
Подвижность тампонажного раствора
Наиболее важное свойство тампонажного раствора — его подвижность, т.е. способность легко прокачиваться по трубам в течение необходимого для проведения процесса цементирования времени.
Это свойство тампонажных материалов определяется природой вяжущего, тонкостью помола, водоцементным отношением, количеством, степенью загрязненности и удельной поверхностью наполнителя, добавок, а также условиями, в которых раствор пребывает в течение процесса цементирования, временем и способом перемешивания раствора.
Требуемая подвижность раствора обусловлена техникой и технологией проведения тампонажных работ и может быть изменена в желаемую сторону. Метод определения подвижности позволяет быстро подбирать количество воды при соответствующем составе смеси.
Дисперсанты
Назначение: снижение вязкости раствора.
Механизм действия: регулирование поверхностного заряда между частицами твердой фазы в растворе.
Дисперсанты предотвращают коагуляцию (слипание) цементных частиц.
Плотность тампонажного раствора
Одна из важнейших его характеристик. В процессе цементирования скважины плотность — практически пока единственный критерий для оценки качества тампонажного раствора. Плотность должна обеспечивать недопущение проявления пластового флюида и гидроразрыва пласта.
Колебания плотности тампонажного раствора при цементировании указывает на изменения его водоцементного отношения. Такие колебания считаются нарушением технологического режима процесса и могут привести к осложнениям, в частности, к повышению давления при цементировании.
Особенно трудно на практике придерживаться заданной рецептуры при затворении цементных смесей, дающих облегченные тампонажные растворы. Уменьшение плотности — это увеличение водоцементного отношения, что приводит к ухудшению свойств камня.
Наполнители
Сроки схватывания тампонажных растворов. Пригодность тампонажного раствора для транспортирования в заколонное пространство скважины оценивается сроками схватывания. Для определения этих сроков при температурах 22 и 75°С применяют прибор, называемый иглой Вика.
Началом схватывания считается время от момента затворения цемента водой до момента, когда игла, погружаясь в раствор, не доходит до нижней пластины на 0,5—1,0 мм, а концом схватывания — время от момента затворения цемента водой до момента, когда игла, погружаясь в раствор, проникает в него не более, чем на 1 мм.
Для определения сроков схватывания тампонажных растворов при высоких температурах и давлениях применяют специальный прибор — автоклав, рассчитанный на рабочее давление до 100 МПа и высокую температуру.
Расчет сроков загустевания и схватывания. Расчетная продолжительность процесса цементирования обсадной колонны не должна превышать 75 % времени начала загустевания тампонажного раствора.
Ускорители
Назначение: сокращают сроки загустевания, создают высокую раннюю прочность камня
на сжатие.
Механизм действия: увеличивает проницаемость C-S-H-гель слоя, формирование C-S-H-гель слоя на атомном уровне с реакцией с ионами Са2+.
Хлорид кальция СаСl2, хлорид натрия NaCl2, метасиликат натрия (безводный) Na2SiO, натриевая соль муравьиной кислоты, щавелевая кислота, триэтаноламин (ТЭА).
Замедлители
Назначение: увеличивают сроки загустевания.
Механизм действия:
Адсорбционная теория. Замедление происходит из-за адсорбции реагента на поверхность гидратационного продукта, таким образом, замедляется реакция с водой.
Теория выпадения осадка. Замедлитель реагирует с кальцием или/и гидроксильным ионом в водной фазе, формируя нерастворимый и непроницаемый слой вокруг частиц цемента.
Теория зародышеобразования. Замедлитель оседает на зародыш гидратационного продукта, предотвращая их дальнейший рост.
Теория комплексообразования. Ион кальция является хелатным по отношению к замедлителю, предотвращая образование зародышей.
Лигносульфонаты, гидроксикарбоксильная кислота (лимонная кислота), производные целлюлозы, органофосфонаты, некоторые неорганические соединения.
Консистенция тампонажного раствора. Для цементирования глубоких высокотемпературных скважин кроме сроков схватывания в статических условиях необходимо устанавливать изменение загустевания (консистенции) тампонажных растворов во времени в процессе их перемешивания.
Для указанной цели применяют консистометры КЦ-3 и КЦ-4, рассчитанные для испытания тампонажных растворов соответственно при температуре 200 и 250—300°С и рабочем давлении до 100 и 150 МПа.
Принцип действия прибора состоит в измерении крутящего момента на лопатке, который возникает при вращении с заданной частотой стакана с испытуемым цементным раствором.
Вспенивание. При закачивании цементного раствора в скважину необходимо обеспечить точность подсчета объема прокачиваемого раствора, а также бесперебойность работы насосов.
Серьезные последствия вызывает вспенивание раствора при его обработке различными химическими реагентами. При их больших дозировках во время приготовления цементного раствора часто образуется много пены, которая в значительной степени затрудняет работы, а главное — дает неверное представление об объеме закачанного раствора в скважину и его плотности.
Пеногасители — силиконы, полигликолевый эфир, трибутилфосфат. Снижают поверхностное натяжение на границе раздела газ-раствор.
Водоотдача цементного раствора. Одно из наиболееважных свойств цементного раствора его седиментационная устойчивость, характеризуемая водоотстоем. Результатом нестабильности раствора являются его расслоение, образование зон воды и цементного теста, несплошности цементного камня в заколонном пространстве скважины.
Радикальное мероприятие повышения стабильности тампонажных растворов — уменьшение их водоотдачи.
- При установлении предельно допустимой водоотдачи тампонажного раствора исходят из двух основных положений:
- сохранение прокачиваемости раствора в течение всего процесса цементирования;
- влияние проникновения фильтрата раствора в продуктивный пласт на изменение его
коллекторских свойств.
При водоотделении тампонажный раствор загустевает и при определенном количестве отфильтровавшейся воды может потерять прокачиваемость, что, как правило, приводит к осложнениям. Проникновение фильтрата тампонажного раствора в продуктивный пласт ухудшает его проницаемость, что способствует удлинению периода освоения скважины.
Понизители водоотдачи
Назначение: снижают водоотдачу раствора, снижают проницаемость цементного камня.
Механизм действия: увеличение вязкости водной фазы раствора, снижение проницаемости цементной корки за счет создания полимерной пленки или кольматации порового пространства.
Водорастворимые полимеры: полимеры целлюлозы, полиамины, сульфонатные ароматические полимеры, поливинилпирролидон, AMPS сополимеры и тройные сополимеры.
Порошкообразные мелкодисперсные материалы: бентонит, латекс, асфальтены, термопластические смолы.
Механическая прочность цементного камня. Механическая прочность цементного (тампонажного) камня является пока основной оценочной характеристикой тампонажных цементов. Механические свойства цементного камня характеризуются пределами прочности на изгиб образцов-балочек стандартного размера (в РФ) и на сжатие цилиндрических образцов (в США).
В зацементированном заколонном пространстве скважины могут возникать растягивающие, сжимающие и изгибающие напряжения. Однако можно заключить, что выбор испытания образцов в лаборатории пока не может определяться видами деформации в цементном кольце заколонного пространства скважины.
Опыт показывает, что для установления качества тампонажного цемента могут быть приняты все виды испытаний, но предпочтение следует отдавать изгибу и сжатию.
Упрочняющие добавки – нейлоновое волокно, измельчённая резина, латекс. Повышают сопротивление цементного камня действию внешних нагрузок во время различных технологических операций.
Седиментационная устойчивость
Противоосадочные добавки. Бентонит – вбирает в себя большое количество воды, гомогенизируя раствор. Некоторые водорастворимые полимеры (ГЭЦ и т.п.) снижают осаждение, но резко увеличивают вязкость раствора.
Морская вода и cиликаты (безводный метасиликат натрия) растворяются в воде, тем самым забирая часть воды, делая ее немного густой (в зависимости от концентрации).
Соли металлов (хлориды магния и никеля)
Реагенты для борьбы с поглощениями
Назначение: предотвращать поглощение раствора в пласт.
Механизм действия: создание тиксотропности цементного раствора, снижение динамических потерь давления создание каркасной структуры, предотвращающей уход раствора в пласт.
Гильсонит, гранулярный уголь, целлофановые хлопья, ореховая скорлупа, гипс, растворимые соли сульфатов, бентонит, сшитые полимеры целлюлозы.
Нейтрализаторы бурового раствора
Параформальдегиды, смеси параформальдегида с хроматом натрия. Для снижения влияния на свойства цементного раствора отдельных реагентов, применяемых в буровом растворе.
