1. Водоотдача тампонажных растворов

В первые часы после затворения цемента практически вся вода, за исключением 1-2 %, химически не связана с цементными частицами и удерживается в нем лишь силами поверхностного натяжения, а также за счет адсорбированного действия цемента по отношению к воде. Однако при отделении части воды из цементного раствора в последующем резко меняются условия формирования цементного камня, а вместе с тем и физико-механические свойства самого камня. При непрерывном удалении выделяющейся из цементного раствора воды, цементный камень получается, трещиноватым и пористым. При этом механическая прочность цементного камня в 3-4 раза меньше, чем прочность цементного камня твердевшего при нормальных условиях.

В местах отфильтровывания воды из цементного камня (раствора) образуются трещины, развитие которых в дальнейшем протекает в сторону расширения их по поперечному сечению и высоте столба.

Выделение воды: из раствора в период твердения цементного камня, как в пристенные слои, так и в верхние части, протекает в процессе гидратации и формирования твердого каркаса в этих частях. Это подтверждается наличием четко выраженных колец роста кристаллического каркаса в поперечном сечении цементного камня.

Вследствие потери значительного количества воды свойства цементного раствора существенно меняются. Схватывание цементного раствора и твердение камня происходит неравномерно. На отдельных участках интервала цементирования против проницаемых пород могут образовываться цементные мосты, которые приведут к серьезному нарушению равновесия давления, установившегося перед началом цементирования или даже в конце цементирования. Качество цементного камня по интервалам цементирования оказывается далеко неодинаковыми и существенно отличается от качества камня, который получают и исследуют в стандартных условиях. При отделении избыточной воды из цементного раствора вместе с фильтром происходит удаление гидроокиси кальция и некоторых других продуктов гидратации. Все это, естественно, не может не отразиться на физико-механических свойствах камня.

В ряде случаев высокая водоотдача тампонажных растворов ограничивает применение того или иного вяжущего материала. Водоотдача чистых (без добавок) цементных растворов зависит от природы цемента, его удельной поверхности, водоцементного отношения и т.д.

Способность тампонажного удерживать воду при наличии проницаемой среды и перепаде давления характеризуется скоростью водоотдачи. Скорость фильтрации в статических условиях определяется прибором ВМ-6 при давлении 0,1 МПа и комнатной температуре.

Низкая водоотдача позволяет:

- уменьшить загрязнение породы фильтратом раствора;

- регулировать время затвердевания раствора;

- предотвращать чрезмерную усадку (уменьшение в объеме) тампонажного камня при схватывании раствора, т.е. более полно заполнить затрубное пространство тампонажным материалом.

Для снижения водоотдачи тампонажных растворов вводят специальные добавки (КМЦ, Тилоза, Натросол, КССБ, CuSO₄ и др.)

2. Седиментация в тампонажных растворах и ее последствия

В последнее время многие исследователи, занимающиеся вопросами крепления и РИР скважин, приходят к выводу, что одним из наиболее перспективных и реальных путей повышения качества разобщения пластов является повышение стабильности и седиментационной устойчивости применяемых тампонажных растворов. Под седиментационной устойчивостью понимается устойчивость тампонажного раствора к воздействия гравитационные сил, приводящих к разделению дисперсной среды и дисперсионной фазы. Седиментационную устойчивость тампонажных растворов принято оценивать величиной водоотделения - количеством выделившейся воды затворения, или удельным водоотделением - количеством отделившейся воды затворения, отнесенным к объему цементного раствора или к объему воды затворения.

Действительно, для полной гидратации цементного клинкера необходимо 22-23 % воды. С целью обеспечения подвижности цементного раствора при цементировании обсадных колонн количество воды увеличивается до 45-50 % от веса сухого цемента. При этом цементные зерна в начальный период обладают невысокой силой сцепления между собой, а суспензионная среда - невысокой вязкостью. Вследствие этого твердые составляющие оседают, а вода затворения поднимается вверх.

В процессе седиментации избыточная вода затворения, взламывая чрезвычайно слабые в начальный период связи между частицами, заставляет их совершать хаотическое движение. Первичные частицы дисперсной фазы, сталкиваясь, образуют двойные частицы. Последние, также совершая хаотическое движение и встречаясь или с такими же двойными или с оставшимися еще в системе одиночными частицами, образуют строенные или счетверенные частицы, а затем появляются, более значительные агрегаты.

Когда складываются несколько агрегатов, образуется участок пониженной проницаемости для фильтрирующейся воды.

Образование агрегатов приводит к тому, что плотность структуры постепенно все более различается на отдельных участках системы. При этом общая величина структурной прочности тампонажного раствора в этот период еще низка. Поэтому даже при незначительной, разнице в плотностях одного участка относительно другого происходит нарушение связей в наиболее слабом месте: более плотный сгусток спускается вниз, разрушая структуру менее плотных. Вероятно, что и сам он при движении вниз частично или полностью разрушается. Это будет продолжаться до тех пор, пока растущие прочностные связи не свяжут их в единый каркас, способный выдержать возникающие напряжения, обусловленные разницей плотности отдельных участков.

По мнению А. И. Бережнова наиболее слабые звенья структуры находятся на, контакте с внешней средой (стенка скважины, глинистая корка, стенка обсадной трубы), поэтому здесь и происходит сдвиг отдельных цементных зерен, приводящий к нарушению целостности структуры.

В результате сдвига зерен структура цементного раствора нарушается. В образующиеся нарушения, которые в первый момент имеют вид точек, а затем приобретают вид бороздок, поступает жидкость, находившаяся до этого в структурных ячейках. Между жидкостью, отфильтровавшейся в бороздку, и ячейками, откуда была отжата часть жидкости, устанавливается гидравлическая связь. Сила отжатия жидкости из ячеек зависит от ряда факторов, в том числе от гидростатического давления столба раствора, находящегося выше их. Поэтому в бороздках давление жидкости больше, чем давление жидкости в ячейках, которые находятся выше "бороздки" в растворе, структура которого не была затронута нарушениями. В результате, если давление жидкости в "бороздке" преодолевает прочность структурной сетки, отгораживающей ее от вышерасположенных ячеек, происходит прорыв отжатой жидкости в выше расположение ячейки. В первое время скорости восходящих потоков из вершин "бороздок" невелика, и поэтому поток представляют собой движение чистой жидкости. По мере ее возрастания происходит разрушение прилежащей к потоку структуры раствора, что влечет за собой обогащение жидкости цементными зернами, и через некоторое время весь восходящий поток представляет собой часть цементного раствора, который движется в основной массе цементного раствора. На месте восходящего потока остается канал в основном заполненный водным раствором продуктов реакции между водой и цементом.

Экспериментальными исследованиями, установлено, что недостаточная седиментационная устойчивость тампонажных растворов приводит к развитию целого ряда явление, таких как:

1. увеличение проницаемости цементного камня вдоль направления движения восходящей при седиментации жидкости затворения. Проницаемость образцов из цементного камня вдоль направления фильтрации жидкой фазы на 20-40 % выше, чем в радиальном направлении;

2. нарушение сплошности тампонажного камня в затрубном пространстве в поперечном направлении в результате образования водяных "поясов"; в продольном направлении - в результате появления каналов различной протяженности, промытых восходящим потоком воды и др.

Седиментационную устойчивость (водоотделение) определяю с помощью мерных цилиндров (250 мл).