6.2. Движущие силы газопроявлений в тампонажном растворе (камне)

В условиях скважин возможны межпластовые перетоки из нижезалегающего пласта в вышезалегающий и наоборот. При этом поровое давление, изменяющееся со временем, по-разному будет влиять на градиент давления: при фильтрации снизу вверх оно противодействует давлению проявляющего пласта, при фильтрации сверху вниз – суммируется с пластовым давлением.

Заколонное пространство скважин можно рассматривать как область, отделенную от пластового флюида, породы и колонны некоторой условной пограничной поверхностью. В каждой точке этой поверхности в любой момент времени материал, заполняющий заколонное пространство, взаимодействует с окружающей средой. Это создает предпосылки для возникновения различного рода осложнений.

Рассмотрим те точки на пограничной поверхности, в которых материал, заполняющий заколонное пространство, взаимодействует с пластовым флюидом. Пусть со стороны поверхности действует давление Р₁, а ему противодействует давление пластового флюида P₂. При этом равнодействующая приложенных в этой точке сил может быть направлена как в сторону заколонного пространства, так и в сторону пластов. В первом случае ее значение не должно быть выше некоторого значения Р, характеризующего способность материала, заполняющего заколонное пространство, противостоять внедрению флюида и продвижению его по заколонному пространству от данной точки до заданной, т.е. должно выполняться условие P₂ – P₁  P. Во втором случае давление на пласты не должно быть выше предельно допустимого (с точки зрения отсутствия гидравлических разрывов или катастрофических поглощений) значения P, т.е. P₁  P.

Из этих двух очевидных условий после преобразований получаем безразмерное соотношение:

(6.1)

Если условие (6.1) выполняется в каждой точке пограничной поверхности в любой момент времени, то не будут возникать межпластовые перетоки и флюидопроявления, а также гидравлические разрывы или катастрофические поглощения, т.е. будет обеспечена герметичность зацементированного заколонного пространства. Следовательно, соотношение (6.1) может служить аналитическим критерием герметичности изоляции заколонного пространства. Для непосредственного использования этого критерия необходимо иметь полную и достоверную информацию о значениях его компонентов в любой точке пограничной поверхности, а также иметь возможность и средства для оперативного управления этими значениями.

На современном этапе развития науки и техники получить такую информацию из заколонного пространства конкретной скважины невозможно и нет способов оперативного управления процессами, протекающими в скважине. Поэтому наиболее реальными путями создания герметичной крепи в заколонном пространстве являются: вскрытие пространственно-временных функциональных связей компонентов критерия герметичности на основании исследования процессов, происходящих в скважине в рассматриваемый период; установление связи между характером протекания этих процессов и свойствами материала, заполняющего заколонное пространство; изменение этих свойств с помощью различных физико-химических или технико-технологических воздействий таким образом, чтобы критерий герметичности оставался всегда в оптимальных пределах, определенных условием (6.1).

Для анализа пространственно-временных функциональных связей компонентов критерия герметичности принимаем следующие исходные данные и условные обозначения.

Пусть затрубное пространство скважины диаметром D со спущенной обсадной колонной диаметром d заполнено тампонажным раствором на высоту h от забоя и буровым раствором до устья. Глубина скважины от устья до забоя равна H. Пространственные функциональные связи определяются вертикальной осью z, начало отсчета которой ведется от забоя. Началом отсчета времени считается момент окончания продавливания тампонажного раствора в заколонное пространство.

Тампонажный раствор после оставления в покое (после продавливания) можно представить как систему, состоящую из огромного количества различных по форме и размерам частиц с сольватными оболочками, соединенных между собой в пространственную структурную решетку посредством некоторых связей со случайными значениями прочности, зависящими от индивидуальных особенностей каждой частицы. Статическое напряжение сдвига является осредненным показателем, равным среднеарифметическому из множества этих случайных значений.

Пространство между частицами называется поровым, заполнено свободной жидкостью затворения, которая может перемещаться под действием приложенных к ней сил. Общий объем жидкости, используемой для затворения, распределяется в системе на связанную и свободную. Связанная жидкость удерживается около частицы различными по природе силами, а также защемлена и находится в замкнутых порах. Свободная – это остальная часть жидкости затворения, заполняющая поры.

Благодаря свободной жидкости затворения тампонажный раствор обладает свойствами жидкости и всегда принимает форму сосуда, который он заполняет. При этом раствор будет представлять собой капиллярно-пористое тело, образованное взаимосвязанными частицами. Сразу после оставления раствора в покое прочностные связи между частицами слабы, поэтому ни дно сосуда, ни его внутренняя поверхность не могут служить опорой для капиллярно-пористого тела. Вследствие этого твердая фаза раствора находится во взвешенном состоянии, оказывая избыточное давление на поровую жидкость. Это состояние является неустойчивым. Система стремится к равновесию. Твердые частицы, имея большую плотность, чем поровая жидкость, под действием силы тяжести стремятся выпасть в осадок. Однако частицы оседают не обособленно, а цепляясь друг за друга и за стенки сосуда. Происходит седиментация твердой фазы раствора, которая подчиняется не закону Стокса, а закону фильтрации в капиллярно-пористой среде.

Наступает момент, когда силы сцепления частиц с поверхностью сосуда и силы, препятствующие уплотнению структуры у его дна, в сумме станут равными силе тяжести твердой составляющей с учетом выталкивающей силы. Это соответствует моменту окончания процесса седиментации. Твердая составляющая полностью выходит из взвешенного состояния и давление в порах обуславливается только гидростатическим давлением свободной жидкости затворения.

В период ускорения гидратации свободная жидкость затворения постепенно переходит в связанное состояние, плотность ее увеличивается, что приводит к возникновению в поровом пространстве пустот, заполненных ранее свободной жидкостью затворения. В период, когда поровое пространство тампонажного раствора представляет собой систему сообщающихся пор, эти пустоты практически мгновенно заполняются свободной жидкостью затворения. При этом уровень ее в поровом пространстве будет снижаться, что само по себе вызовет дальнейшее уменьшение порового давления. Однако процесс снижения уровня жидкости в поровом пространстве, по-видимому, кратковременен и не определяет дальнейшего уменьшения порового давления.

В период ускорения гидратации поровое пространство тампонажного раствора (камня) относительно быстро превращается в систему замкнутых, не сообщающихся друг с другом, пор. Поэтому давление жидкости в такой обособленной ячейке уже не передается соседним порам, и общее поровое давление будет быстро уменьшаться. Таким образом, давление в поровом пространстве тампонажного раствора с течением времени снижается сначала до гидростатического давления жидкости затворения, а затем и больше.

С точки зрения изменения движущих сил флюидопроявления большое значение имеет первый этап снижения порового давления, так как флюидопроявление может возникнуть только при наличии каналов, т.е. гидравлической связи между пластом и рассматриваемой точкой в заколонном пространстве. В этих условиях в момент возникновения флюидопроявления противодавление на пласт не может быть ниже гидростатического давления свободной жидкости затворения, заполняющей флюидопроводящий канал. Поэтому в дальнейшем изменение движущих сил флюидопроявления будет рассматриваться только до момента равенства порового давления гидростатическому давлению жидкости затворения.

В соответствии с изложенным, изменение порового давления тампонажного раствора с течением времени может быть выражено следующими уравнениями:

(6.2)

, (6.3)

где P_пор - давление в поровом пространстве тампонажного раствора, 10-20 МПа;

g – ускорение свободного падения, м/с²;

h – высота подъема тампонажного раствора в затрубном пространстве (от забоя), м;

z – вертикальная ось для определения пространственных функциональных связей, начало отсчета которой ведется от забоя, м;

_тр и _ж – плотность соответственно тампонажного раствора и продавочной жидкости затворения, кг/м³;

₀ – начальное статическое напряжение сдвига тампонажного раствора, 10-20 МПа;

 - функция скорости роста прочности структурных связей, с^-1;

t – время, с;

 - характерный геометрический размер, равный отношению объема вмещающего сосуда к площади его внутренней поверхности, м.

Давление на пласты со стороны заколонного пространства (P₁) будет обусловлено в общем случае суммой давлений составного столба тампонажного (P_пор) и бурового (P_бр) растворов.

Учитывая, что снижение давления бурового раствора до гидростатического давления воды происходит в течение нескольких суток, будем считать, что это давление не изменяется в рассматриваемый период и обусловлено только высотой столба жидкости и ее плотностью, т.е. равно:

(6.4)

где H – глубина скважины, м;

_бр – плотность бурового раствора, кг/м³.

По технологическим условиям цементирования скважин сразу после продавливания тампонажного раствора давление составного столба в заколонном пространстве всегда выше давления пластового флюида. Однако в период ОЗЦ в результате снижения давления в поровом пространстве тампонажного раствора возникает градиент давления, действующий по направлению из пласта в скважину (при наличии в разрезе скважины пластов с аномально-высоким пластовым давлением). Этот градиент и является движущей силой флюидопроявлений. Очевидно, что для установления требований к изолирующей способности материала, заполняющего затрубное пространство, необходимы сведения о значении и времени возникновения действующего в скважине градиента давления.

Так как значения давления P₂ и P характеризуют гидродинамические свойства горных пород, которые формировались в течение длительного геологического времени, то для рассматриваемого периода ОЗЦ их можно считать постоянными. Пусть

(6.5)

где P_г – гидростатическое давление столба воды в точке z;

_в - плотность воды.

Тогда получим уравнения:

(6.6)

Коэффициенты а и в в общем случае зависят от координаты z. Зависимость эта не может быть выражена в виде функциональных связей, так как она обусловлена индивидуальными свойствами геологического разреза пород, которые вскрыты скважиной и не поддаются учету ввиду их многообразия и сложной природы. Вследствие этого значения пластового давления и давления гидравлического разрыва должны быть известны перед цементированием. Такая информация может быть получена в процессе бурения.

Внедрение флюида в затрубное пространство и продвижение его от точки z до z_i приведут к потере герметичности, что в зависимости от расположения z_i может выразиться в возникновении следующих ситуаций:

1) z_i =h (выход пластового флюида на дневную поверхность);

2) h> z_i> z (переток флюида из данного пласта в вышезалегающий);

3) z_i< z (переток флюида из данного пласта в нижезалегающий).

Рассматривая пространственно-временные функциональные связи компонентов критерия герметичности P₁ и P' при возникновении каждой из трех ситуаций, можно установить следующие положения.

Если z_i=h, то исходя из формул (6.2)-(6.4) получим уравнение:

(6.7)

Если h> z_i> z, то, следовательно, выше данного пласта в точке z_i залегает проницаемый пласт. Поэтому давление составного столба растворов в затрубном пространстве от устья до точки z_i не может стать ниже пластового давления в этой точке. Учитывая это, изменение давления на пласт в точке z_i с течением времени можно представить в виде функции:

(6.8)

где а_i – коэффициент аномальности пластового давления в точке z_i.

Если z_i< z, то, следовательно, имеется нижезалегающий пласт, в который возможен переток из данного пласта. Тогда получим уравнение:

(6.9)

Изменение действующего в скважине градиента давления при z_i=h показано на рисунке 6.1. Как видно из рисунка 6.1, по мере снижения давления в поровом пространстве тампонажного раствора градиент давления увеличивается сначала от отрицательного значения до нуля (в момент равенства порового давления пластовому), а затем от нуля до максимального значения, обусловленного разностью пластового давления и гидростатического давления столба воды. Таким образом, в момент снижения давления тампонажного раствора до гидростатического значение движущих сил флюидопроявления в поровом пространстве бывает максимальным.

Следовательно, период ОЗЦ от момента окончания продавливания тампонажного раствора до момента снижения его давления до гидростатического является наиболее опасным с точки зрения возникновения флюидопроявлений.

Способность оказывать сопротивление внедрению флюида и продвижению его по затрубному пространству от z до z_i названо изолирующей способностью материала, заполняющего заколонное пространство. В период ОЗЦ свойства материала, заполняющего заколонное пространство, непрерывно изменяются с течением времени. Поэтому значение показателя изолирующей способности изменяется со временем в зависимости как от свойств самого тампонажного раствора, так и от условий формирований структуры.

Рис. 6.1