6.3. Флюидопроявляющие каналы в зацементированном заколонном пространстве

Возникновение проявлений в ранний период ОЗЦ обусловлено неспособностью самого тампонажного раствора формировать герметичную крепь в заколонном пространстве, т.е. его недостаточной изолирующей способностью. Если момент возникновения (но не момент обнаружения) проявления приурочен к позднему периоду ОЗЦ, то флюидопроводящими участками являются глинистые включения. Как указывалось выше, как в области, заполненной тампонажным раствором (камнем), так и в области, заполненной остатками невытесненного бурового раствора (фильтрационной коркой), заколонные проявления могут возникать только при наличии флюидопроводящих каналов. Рассмотрим причины формирования этих каналов в той или иной области: сначала - в фильтрационной корке, а затем – в тампонажном растворе (камне).

В настоящее время широко распространено мнение о том, что флюидопроводящими участками в заколонном пространстве служат невытесненные глинистые включения, в частности фильтрационная корка. Эта точка зрения базируется на результатах многочисленных экспериментов (проведенных при атмосферном давлении), показывающих, что фильтрационная корка, находящаяся в контакте с твердеющим тампонажным раствором (камнем), с течением времени покрывается сетью трещин, которые в условиях скважины могут служить флюидопроводящими каналами.

С учетом того что удалению фильтрационной корки перед цементированием придается большое значение и иногда считается, что это мероприятие гарантирует надежное разобщение пластов, необходимо однозначно решить вопрос о природе трещинообразования в фильтрационных корках.

Контракция твердеющего тампонажного раствора (камня) по-разному может влиять на состояние остатков невытесненного бурового раствора и фильтрационной корки. В заколонном пространстве скважины возможны следующие типичные ситуации.

Область невытесненного бурового раствора со всех сторон окружена тампонажным раствором (камнем). При этом, если водоносные пласты находятся на достаточно большом расстоянии, то контракция тампонажного камня вызовет в области невытесненного бурового раствора понижение давления, вплоть до образования вакуума. Это приведет к интенсивному испарению влаги из глинистой массы в зоны пониженного давления, что является достаточным для возникновения трещин условием.

Если в пределах области, заполненной невытесненным буровым раствором, находится высокопроницаемый водоносный пласт, то контракция не приведет к возникновению участков пониженного давления, так как дефицит воды, возникающий при переходе ее в связанное состояние, ликвидируется путем подпитки (за счет фильтрации) пластовой водой.

Область, заполненная невытесненным буровым раствором или его фильтрационной коркой, контактирует, с одной стороны, с тампонажным раствором (камнем), а с другой - с обсадной колонной или стенкой скважины. При контакте с поверхностью обсадной колонны или непроницаемой стенкой скважины создаются условия контракции, аналогичные описанным выше. Если стенка скважины представлена пористой средой, насыщенной влагой, то затягивающаяся при контракции глинистой массы свободная вода будет замещаться водой извне, т.е. будет происходить фильтрация через структуру глинистой массы с некоторым расходом.

При этом, как показывают эксперименты, трещинообразование маловероятно и определяется в основном проницаемостью пористой среды. Если глинистая масса находится в контакте с нефте-или газонасыщенным пластом, то в процессе контракции она будет уплотняться при напорном воздействии этих флюидов до тех пор, пока возникающий градиент давления не превысит капиллярное противодействие.

Таким образом, остатки невытесненного бурового раствора и его фильтрационная корка могут служить местами продвижения флюида только в том случае, когда существуют условия для образования трещин, выполняющих роль флюидопроводящих каналов. Эти условия возникают только в том случае, если область, заполненная остатками невытесненного бурового раствора и фильтрационной коркой, гидравлически не связана с водонасыщенными пластами.

Однако наличие глинистых включений в зацементированном затрубном пространстве негативно влияет на качество разобщения пластов по другим причинам. Глинистая пленка практически исключает возможность адгезионного сцепления тампонажного камня с колонной, а значит, и участия его в работе как составной части крепи. Фильтрационная корка на стенках скважины и пленка на обсадной колонне выполняют роль смазки, что способствует формированию седиментационных каналов в период ОЗЦ, а также снижению сопротивления цементного камня к разрушению при механическом воздействии на него со стороны колонны (при испытании колонны на герметичность, перфорации, ударах долотами и бурильными трубами, тепловом расширении и т.д.). Глинистые включения вносят помехи при геофизических исследованиях скважин, часто способствуют коррозии обсадных колонн.

Рассмотрим теперь механизм формирования флюидопроводящих каналов в структуре тампонажного раствора (камня). Как показывают экспериментальные исследования и расчеты, если структура порового пространства тампонажного раствора не нарушается в период превращения его в камень, то такой камень практически непроницаем для пластового флюида. Следовательно, когда возникает флюидопроявление, то тампонажный раствор или камень может служить проводником флюида только в том случае, если в поровом пространстве по тем или иным причинам образовались флюидопроводящие каналы.

В состав тампонажного раствора входят твердая фаза (система частиц), свободная и связанная жидкость затворения. С течением времени массовые и объемные соотношения этих компонентов меняются в результате происходящих при твердении физико-химических процессов. Рассмотрим эти соотношения.

Находясь в поле силы тяжести, твердая фаза тампонажного раствора оседает в поровой жидкости, ломая прочностные связи по ограниченным поверхностям вмещающего сосуда и уплотняясь у его дна. При этом поровая жидкость вытесняется из деформируемых пор, вызывая фильтрационные потоки в поровом пространстве. В верхней части тампонажного раствора появляется слой жидкости – происходит так называемое водоотделение. Начальная скорость оседания твердой фазы определяется превышением ее плотности над плотностью поровой жидкости, проницаемостью порового пространства и вязкостью поровой жидкости.

Фильтрационные потоки, возникающие при седиментационном оседании, разрушают наиболее прочностные связи между частицами и увлекают за собой эти частицы. Для тампонажных растворов, имеющих повышенные значения водоцементного отношения, возникновение таких потоков может привести к бурному перемешиванию основной массы раствора. При столкновении беспорядочно движущихся частиц могут образоваться двойные частицы, которые, встречаясь либо с такими же двойными, либо с оставшимися еще в системе одиночными, образуют строенные или счетверенные частицы. Затем появляются более значительные сгустки. Когда несколько таких сгустков соединяются, появляются участки с пониженной проницаемостью для фильтрующейся жидкости. Жидкость обтекает такой участок, подводя к нему при этом новые частицы. Все это приводит к тому, что плотность и приобретаемая структурная прочность постепенно все более различаются в отдель-ных участках системы. Однако общая структурная прочность в этот период еще очень низка, поэтому даже при незначительной разнице в значениях плотности одного участка относительно другого разрушаются связи в наиболее слабых местах: более плотный сгусток опускается вниз, разрушая структуру менее плотных и менее прочных.

Для уточнения характера описанных выше явлений была проведена серия экспериментов. Приготовленный тампонажный раствор разделили на три порции и в каждую добавляли по 60 шт. резиновой крошки определенного цвета (красная, зеленая и синяя). Перемешав каждую порцию, их заливали последовательно в стеклянный цилиндр, снабженный задвижками, которые служили для предотвращения смешивания порций при заливке: сначала порцию раствора с синей крошкой заливали до первой задвижки и закрывали ее; затем порцию раствора с зеленой крошкой заливали в среднюю часть цилиндра и закрывали вторую задвижку; наконец, порцию раствора с красной крошкой заливали в верхнюю часть цилиндра.

После этого осторожно открывали обе задвижки. По окончании заливки тампонажный раствор оставался в рабочем цилиндре до схватывания. Затем разбирали установку, разбивали цилиндр и разламывали цементный камень на отдельные столбики, которые измельчали, после чего порошок промывали на сите и подсчитывали число и цвет крошек в каждом столбике. Считая, что в приготовленном растворе цветные крошки распределялись равномерно, по наличию и концентрации их в различных частях камня судили о взаимном перемещении отдельных областей и порций тампонажного раствора в цилиндре. Средние данные о конечном распределении цветной крошки для различных рецептур тампонажного раствора приведены в таблице 6.1.

Таблица 6.1. Средние данные о конечном распределении цветной крошки для различных рецептур тампонажного раствора

Номер порции	Расстоя-ние от верхне-го осно-вания цилин-дра, см	Число цветных крошек в столбиках цементного камня из растворов разной рецептуры
		портландцемент + +0,24 % ССБ, В/Ц=0,6			портландцемент, В/Ц=0,6			Портландцемент, В/Ц=0,5
		крас-ные	зеле-ные	си-ние	крас-ные	зеле-ные	си-ние	крас- ные	зеле- ные	си-ние
3	10 20 30 40 45	- 7 6 2 4	- 3 1 2 6	- - 1 3 -	4 8 3 12 10	- - 2 - 1	- - - - -	1 12 15 14 8	- - - - -	- - - - -
2	50 60 70 80 90	9 6 5 11 4	1 4 5 3 7	- - -1 -	10 13 - - -	- 2 14 11 24	- - - - -	9 1 - - -	- - 10 18 26	- - - - -
1	95 105 115 125 135	6 - - - -	3 10 15 - -	- 2 2 21 30	- - - - -	6 - - - -	2 10 16 18 14	- - - - -	6 - - - -	- 15 14 18 13

Полученные данные позволяют сделать следующие выводы:

- чем больше водоцементное отношение и объем свободной жидкости затворения, тем интенсивнее перемешивается тампонажный раствор в период после оставления его в покое;

- в тампонажном растворе возможно образование сгустков, оседающих быстрее основной массы твердой фазы (наличие красных крошек в средней и нижней частях рабочего цилиндра);

- при оседании сгустков возникают восходящие потоки поровой жидкости или разжиженного тампонажного раствора (наличие синих крошек в средней и верхней частях рабочего цилиндра).

Седиментация твердой фазы продолжается и после периода относительно быстрого выпадения сгустков. Твердая фаза начинает седиментировать как единое целое. И хотя в локальных участках порового пространства возникают достаточно бурные фильтрационные потоки, общее оседание твердой фазы протекает очень медленно. Это обусловлено тем, что за счет очень большой удельной поверхности частиц, омываемой фильтрующейся жидкостью, создается очень малая проницаемость порового пространства тампонажного раствора.

Так как прочностные связи между частицами и поверхностью вмещающего сосуда непрерывно нарастают, то седиментация происходит на фоне все большего сопротивления этих сил. На поверхности контакта частиц и стенок сосуда непрерывно разрушаются и возникают множественные прочностные связи. Процессы разрушения, восстановления и возникновения новых связей обусловлены противодействием двух сил: сила тяжести остается постоянной, а сила сцепления возрастает; процесс седиментации замедляется и наступает момент, когда обе эти силы становятся равными. В этот момент оседание твердой фазы прекращается, так как она полностью выходит из взвешенного состояния, зависая на ограничивающих поверхностях вмещающего сосуда и частично выпадая в осадок.

Следовательно, геометрические характеристики вмещающего сосуда, будь то лабораторная установка или заколонное пространство скважины, должны существенно влиять на течение и характер седиментации твердой фазы тампонажного раствора.

Пусть имеются два сосуда различной геометрической формы: первый имеет цилиндрическую форму, а второй - коаксиальную. Оба сосуда заполняются порциями одного и того же тампонажного раствора. При этом процессы седиментации в обоих сосудах подобны только в том случае, когда соотношение силы тяжести и силы сцепления в одном сосуде в любой момент времени равно такому же соотношению в другом сосуде, т.е. при выполнении равенства:

(6.10)

где и - сила тяжести частиц с ограничивающими поверхностями, соответственно, в первом и втором сосудах;

и - сила сцепления частиц с ограничивающими поверхностями, соответственно, в первом и втором сосудах.

Для цилиндрического сосуда диаметром d₀ и высотой h₀ имеем равенства:

(6.11)

Для коаксиального сосуда с большим диаметром D, малым d и высотой H имеем равенства:

(6.12)

где - статическое напряжение сдвига;

- коэффициент проскальзывания, безразмерная величина (изменяется от 1 до 0 и зависит от состояния ограничивающей поверхности).

С учетом выражений (6.12) и (6.11) соотношение (6.10) после преобразований будет иметь вид:

(6.13)

Следовательно, для изучения процесса седиментации тампонажных растворов при использовании цилиндрических сосудов необходимо, чтобы диаметр цилиндра был равен удвоенному размеру кольцевого зазора в заколонном пространстве скважины.

Очевидно, что высота слоя воды при водоотделении может служить количественной характеристикой процесса седиментации. Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что седиментационное водоотделение зависит от сочетания ряда факторов.

1.Свойства вмещающего сосуда:

- геометрической формы и размеров сосуда;

- состояния его внутренней поверхности;

- положения сосуда в пространстве.

2. Особенностей приготовления тампонажного раствора:

- длительности и интенсивности перемешивания при затворении и транспортировании в заколонное пространство;

- длительности остановок при транспортировании в заколонное пространство.

3. Свойств тампонажного раствора:

- удельной поверхности вяжущего и наполнителей;

- водоцементного отношения;

- разности значений плотности твердой и жидкой фаз;

- скорости роста структурной прочности;

- вязкости жидкости затворения.

4. Условий твердения:

- температуры и давления окружающей среды;

- механических воздействий.

Рассмотрим наиболее подробно влияние этих факторов.

Геометрическая форма сосуда. Заколонное пространство скважины имеет в общем виде коаксиальную форму. Как показано выше, для исследования процесса седиментации твердой фазы тампонажного раствора возможно использование цилиндрического сосуда с выполнением при этом условия (6.13).

Если вмещающий сосуд имеет по высоте местные расширения, сужения, выступы или углубления, то в этих местах возникают условия для зависания твердой фазы тампонажного раствора и процесс седиментации будет характеризоваться неравномерностью протекания в данных участках. Практически эта неравномерность может выразиться в образовании так называемых водяных поясов, представляющих собой разрывы сплошности структуры тампонажного раствора. Если вмещающий сосуд имеет правильную цилиндрическую поверхность, то седиментационное оседание будет зависеть от размеров и состояния поверхности сосуда.

Размеры вмещающего сосуда. Серией лабораторных исследований изучалась зависимость показателя седиментации S от диаметра сосуда d. При этом были взяты четыре стеклянные трубки высотой 1,2 м и диаметром 31; 38; 51; 62 мм. Их заполняли тампонажным раствором на базе портландцемента с В/Ц = 0,6. Тампонажный раствор оставляли в покое при атмосферном давлении и нормальной температуре. Через прозрачные стенки трубок наблюдали водоотделение и измеряли показатель седиментации. Опыт прекращали, когда прекращалась седиментация. Об этом судили по стабилизации показателя седиментации. По результатам экспериментов была построена графическая зависимость максимального показателя седиментации от диаметра вмещающего сосуда (рисунок 6.2, кривая 1). Как видно из графика, значение S с увеличением d существенно возрастает.

Эксперименты, проведенные различными исследователями, показывают, что с увеличением высоты столба тампонажного раствора h показатель седиментации асимптотически приближается к некоторому пределу. На рисунке 6.3 показано изменение показателя седиментации в зависимости от высоты столба тампонажного раствора на базе портландцемента с В/Ц = 0,5, помещенного в сосуд диаметром 35 мм.

Состояние внутренней поверхности вмещающего сосуда. Эксперименты показывают, что чем больше шероховатость поверхности вмещающего сосуда, тем быстрее заканчивается процесс седиментации при прочих равных условиях. Это объясняется тем, что состояние поверхности вмещающего сосуда (гладкая, шероховатая) влияет на степень сцепления с ней частиц оседающей твердой фазы. Если размеры микронеровностей на поверхности меньше размеров оседающих твердых частиц, то эти частицы скользят по ограничивающей поверхности, и только силы трения, возникающие при этом скольжении, препятствуют седиментации.

Если же размеры микронеровностей больше размеров самых крупных оседающих частиц, то первый слой частиц, соприкасающихся с поверхностью, задерживается в этих микронеровностях и для страгивания оседающей твердой фазы раствора необходимо не только преодолеть силы трения, но и разрушить прочностные связи между частицами. Поэтому при прочих равных условиях седиментация раньше прекращается в сосуде с шероховатой поверхностью, чем в сосуде с гладкой поверхностью. Эффект проскальзывания может возникать и тогда, когда между частицами твердой фазы тампонажного раствора и поверхностью вмещающего сосуда находится слой вещества, выполняющего роль смазки (например, фильтрационная корка бурового раствора или пленка буферной жидкости). В этом случае интенсивность седиментации будет определяться также толщиной корки (пленки) и ее свойствами.

Положение сосуда в пространстве. Статистический анализ промысловых данных показывает, что при увеличении зенитного угла ствола скважины увеличивается частота прорыва воды в зону перфорации. Заколонное пространство скважины ни целиком, ни по частям не является строго вертикальным сосудом, поэтому важным представляются исследования поведения тампонажного раствора в этих условиях. Лабораторные эксперименты показали, что в наклонных сосудах показатель седиментации растет более интенсивно, чем в вертикальных. Объясняется это тем, что наклонное положение сосуда создает благоприятные условия для образования канала, по которому свободная жидкость затворения имеет возможность быстро продвигаться вверх.

В вертикальном сосуде свободная жидкость затворения, оттесняемая оседающей твердой фазой, стремясь вверх, образует фильтрационные потоки, которые более или менее равномерно рассредотачиваются по всему сечению сосуда. Слияние этих потоков в один или несколько мощных – это случайное событие, зависящее от благоприятного стечения обстоятельств, а именно от энергии потоков, их многочисленности, наличия множества слабых связей в системе. Поэтому возникновение канала, обусловленного седиментацией, промытого потоками фильтрата в массе тампонажного раствора, заполняющего вертикальный сосуд, возможно только при очень неустойчивых тампонажных растворах.

При наклонном положении вмещающего сосуда фильтрационные потоки, стремясь вверх, достигают верхней наклонной стенки сосуда и концентрируются вдоль нее, образуя единый поток. Такой сосредоточенный поток, поддерживаемый вливающимся в него множеством малых потоков, имеет достаточную энергию для разрушения прочностных связей между частицами, встречающимися на его пути. Кроме того, частицы твердой фазы отходят от верхней наклонной стенки сосуда под действием силы тяжести, образуя щель, заполненную водой, в которую устремляется фильтрационный поток, расширяя ее при движении. Возникновение бурных фильтрационных потоков вдоль верхней наклонной стенки отмечалось многими исследователями, которые визуально наблюдали эти потоки сквозь прозрачные стенки вмещающего сосуда.

Рис. 6.2

Рис. 6.3

Длительность и интенсивность перемешивания при затворении. О влиянии длительности и интенсивности перемешивания тампонажного раствора на его свойства указывалось в работах многих зарубежных исследователей. Отмечено, что чем больше продолжительность перемешивания, тем медленнее осаждается твердая фаза тампонажного раствора. Сходное, но значительно более сильное влияние оказывает интенсивность перемешивания. Причиной положительного эффекта продолжительности перемешивания на седиментационную устойчивость считается, прежде всего, увеличение полноты и скорости гидратации цемента. Поэтому в тампонажном растворе ко времени начала седиментации раньше образуются микроструктуры. Внешне все это проявляется в увеличении седиментационной устойчивости.

Причинами положительного эффекта увеличения интенсивности перемешивания являются осуществляемая дезинтеграция частиц, разрушение их агрегатов и сгустков. При этом обнажается новая поверхность, которая дополнительно связывает свободную жидкость затворения, поэтому соответственно ускоряется гидратация. Результатом является также увеличение седиментационной устойчивости растворов.

Удельная поверхность вяжущего. Размером поверхности порового пространства тампонажного раствора, омываемой фильтрующейся при седиментации свободной жидкостью затворения, обуславливаются гидравлические сопротивления, которые определяют характер фильтрационных потоков, их скорость и энергию. Размер этой поверхности зависит от формы и размеров частиц, их содержания в системе. Поэтому важнейшим параметром, во многом определяющим седиментационные процессы в тампонажном растворе, является тонкость помола цемента и, следовательно, его удельная поверхность.

Для выяснения характера влияния удельной поверхности вяжущего на показатель седиментации во ВНИИКРнефти были проведены эксперименты. Приготавливали тампонажный раствор на базе стандартной клинкерной смеси, которую размалывали в лабораторных мельницах до необходимой удельной поверхности. Растворами с В/Ц = 0,6 заполняли стеклянные трубки высотой 0,4 м с внутренним диаметром 38 мм. Записывали максимальный показатель седиментации. По результатам экспериментов была построена графическая зависимость показателя седиментации от удельной поверхности вяжущего тампонажного раствора (рис 6.2, кривая 3), из которой видно, что с увеличением S_уд значение S уменьшается.

На рисунке 6.4 дана графическая зависимость показателя седиментации от содержания в смеси наполнителей (С) – бентонитовой глины или песка. Введение бентонитовой глины уменьшает проницаемость порового пространства тампонажного раствора, что резко увеличивает сопротивление его движению фильтрационных потоков при седиментации. Введение песка, наоборот, снижает седиментационную устойчивость за счет увеличения содержания свободной жидкости затворения вследствие малой, по сравнению с цементом, удельной поверхности песка и его низкой гидравлической активности. Более низкое расположение кривых 2 и 4 на графике объясняется тем, что для обеспечения необходимой подвижности шлако-бентонитовой или шлакопесчаной смеси требуется меньшее водоцементное отношение, чем, соответственно, для цементно-бентонитовой или цементно-песчаной.

Водоцементное отношение. Водоцементное отношение является фактором, определяющим многие свойства тампонажного раствора (камня). От водоцементного отношения зависят расстояние между частицами в поровой системе и, соответственно, прочностные связи между ними. Поэтому, в частности, чем больше В/Ц, тем медленнее гидратация при прочих равных условиях. Большое значение В/Ц, как правило, свидетельствует о повышенном содержании в растворе свободной жидкости затворения. Поскольку значение В/Ц определяет геометрию порового пространства и рост прочностных связей, а также содержание мобильной жидкости затворения, то, следовательно, и седиментационные процессы в тампонажных растворах во многом определяются водоцементным отношением.

Это подтверждается результатами экспериментальных исследований. Были приготовлены тампонажные растворы на базе портландцемента с водоцементным отношением равным 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9 и 1,0. Этими растворами заполнялись стеклянные трубки диаметром 38 мм и высотой 1,2 м и измерялся максимальный показатель седиментации. Опыты осуществлялись при атмосферном давлении и нормальной температуре. По результатам экспериментов была построена графическая зависимость показателя седиментации от водоцементного отношения (см. рис. 6.4, кривая 3).

Рис. 6.4

Разность значений плотности твердой и жидкой фаз тампонажного раствора. Твердая фаза вместе со связанной водой оседает в поровой жидкости под действием силы тяжести. При этом движущей силой седиментации является разность между этими силами и выталкивающей силой, т.е. имеем равенство:

(6.14)

где - движущая сила седиментации в начальный момент;

и - силы тяжести, соответственно, твердых частиц и связанной воды;

- выталкивающая сила.

Указанные силы вычисляются по формулам:

(6.15)

Подставляя значения , и из выражений (6.15) в уравнение (6.14), получим после преобразований следующее уравнение:

(6.16)

Таким образом, движущей силой седиментации твердой составляющей является разность значений плотности тампонажного раствора и жидкости затворения.

Скорость роста структурной прочности. Интенсивный рост прочности связей между частицами твердой фазы тампонажного раствора оказывает положительное влияние на его седиментационную устойчивость, так как увеличение прочностных связей способствует нарастанию взаимодействия между этими частицами и внутренней поверхностью вмещающего сосуда. Это приводит к выходу частиц твердой фазы из взвешенного состояния за счет зависания их на этой поверхности и к прекращению седиментации.

Кроме того, интенсивно растущие прочностные связи между частицами уменьшают проницаемость порового пространства за счет возникновения новообразований. Экспериментально установлено, что при добавлении в тампонажный раствор реагентов-ускорителей схватывания показатель седиментации существенно уменьшается.

Вязкость жидкости затворения. Скорость движения возникающих в поровом пространстве при седиментации фильтрационных потоков, а, следовательно, и их энергия разрушения в значительной степени зависят, кроме всего прочего, также и от вязкости фильтрующейся жидкости затворения. Эксперименты показывают, что с увеличением вязкости жидкости затворения максимальное значение показателя седиментации резко уменьшается.

На рисунке 6.5 изображены графические зависимости показателя седиментации от содержания и вида реагента.

Рис. 6.5

Как видно из графиков, добавки гипана в количестве 0,5 %, ПВС-ТР-0,4 % и ММЦ – 0,3% (по массовой доле сухого реагента в цементе) резко уменьшают показатель седиментации.

Температура окружающей среды. Влияние температуры на седиментационные процессы в тампонажном растворе многогранно. Седиментация твердой фазы осложнена двумя взаимно противоположными процессами. С одной стороны, вязкость жидкости затворения, находящейся в поровом пространстве, резко уменьшается, что приводит к увеличению скорости оседания; с другой стороны – ускоряется гидратация, что приводит к замедлению оседания твердой фазы и прекращению седиментации. Взаимодействие этих двух процессов и определяет характер седиментации при повышенной температуре окружающей среды.

Тампонажный раствор состоит из двух фаз (твердой и жидкой) с различными коэффициентами теплового расширения, причем всегда в поровом пространстве имеется некоторое количество воздуха, существенно расширяющегося при нагревании, поэтому испытания тампонажного раствора в целях выявления происходящих в его поровом пространстве процессов, в том числе седиментации, необходимо проводить при совместном действии температуры и давления окружающей среды. Многие авторы исследуют тампонажные растворы при повышенной температуре и атмосферном давлении. Однако при этом многие процессы (в частности седиментация) будут искажены, так как атмосферное давление не препятствует неравномерному тепловому расширению компонентов тампонажного раствора. При этом поровая структура будет нарушаться. Находящийся в системе воздух и выделяющиеся при нагревании газы, расширяясь, кольматируют поры. В таких условиях судить о седиментации по водоотделению невозможно.

Рост температуры при атмосферном давлении приводит, как правило, к вспучиванию системы. Уровень налитого в цилиндр тампонажного раствора смещается вверх, поэтому часто седиментационное оседание компенсируется тепловым расширением, которое практически невозможно учесть. Вследствие этого при исследовании седиментации тампонажных растворов в условиях повышенных температур необходимо испытываемые растворы помещать в автоклавы под давлением, которое ограничивает тепловое расширение компонентов системы и устраняет влияние воздуха на ее проницаемость.

Таким образом, показатель седиментации зависит от сочетания множества разнообразных факторов, природа возникновения и развитие которых зачастую носят случайный характер. Сложность и многообразие исходных данных, их непостоянство делают невозможным точное количественное описание процесса седиментации твердой фазы тампонажного раствора.

Известны зависимости, характеризующие изменение водоотделения во времени для растворов, которые, однако, не учитывают параметров вмещающего сосуда и не могут быть использованы для анализа седиментации в специфических условиях скважины.

С использованием ряда упрощений и допущений была получена зависимость, описывающая изменение показателя седиментации с течением времени для гипотетического тампонажного раствора с неизменяемым поровым пространством при условии отсутствия суффозии.

Фильтрация свободной жидкости затворения при седиментации твердой фазы описывается законом Дарси. Эксперименты показали, что полученная зависимость хорошо описывает реальный процесс при отсутствии суффозии. Из этой зависимости видно, что с течением времени показатель седиментации асимптотически приближается к некоторому предельному значению, которое с привлечением гипотезы Козени-Кармана можно записать в виде функции показателей свойств исходных компонентов тампонажного раствора:

(6.17)

где - динамическая вязкость жидкости затворения, Пас;

- максимальный показатель фильтрации, м;

- удельная поверхность цемента, м²/кг.

Математическая зависимость (6.17), связывающая значение показателя седиментации с показателями свойств тампонажного раствора и геометрическими характеристиками вмещающего сосуда, позволяет оценивать влияние различных физико-химических воздействий, изменяющих свойства тампонажного раствора, на седиментацию его твердой фазы.

Зависимость (6.17) может быть использована для выбора управляющих воздействий при разработке седиментационно устойчивых тампонажных растворов.

Процесс седиментации заканчивается в начальный период ОЗЦ. Наряду с этим прекращается движение фильтрационных потоков, разрушающих поровую структуру тампонажного раствора. Однако в условиях скважины при наличии пластов с аномально-высоким давлением при снижении порового давления возникает градиент давления, действующий по направлению из пласта в скважину. Под действием этого градиента пластовый флюид может внедряться в поровое пространство раствора, вытесняя поровую жидкость, которая, так же как и при седиментации, образует фильтрационные потоки, приводящие к формированию каналов.

Исходя из изложенного выше, можно заключить, что причиной формирования флюидопроводящих каналов в областях, заполненных тампонажным раствором (камнем), является суффозное разрушение его структуры фильтрационными потоками жидкости затворения, возникающими в процессе седиментации и при напорном воздействии пластового флюида.

Давление окружающей среды. По поводу влияния давления окружающей среды на седиментационные процессы в тампонажном растворе имеются очень противоречивые мнения. Одни исследователи считают, что создание давления способствует проникновению воды в мельчайшие поры частиц, ускоряя гидратацию и тем самым увеличивая седиментационную устойчивость тампонажных растворов. Другие полагают, что с увеличением давления воздух, находящийся в тампонажном растворе, сжимается и проницаемость системы возрастает, в результате чего седиментационная устойчивость уменьшается.

Экспериментальные исследования показали, что для тампонажных растворов, твердевших в условиях повышенного давления P окружающей среды, показатель седиментации в несколько раз больше, чем в случаях твердения растворов при атмосферном давлении. Значения показателя седиментации фиксировались при атмосферном давлении непосредственно, а в автоклавных условиях – после прекращения опыта по разнице между первоначальным уровнем раствора и уровнем его твердой составляющей в конце опыта. Считалось, что эта разность равна показателю седиментации. Однако при этом не учитывалось сжатие системы при повышении давления в автоклаве вследствие наличия в ней воздуха.

В целях уточнения влияния давления на процесс седиментации были проведены специальные эксперименты, в которых учитывался эффект сжатия системы. Суть экспериментов заключалась в следующем. Две группы цилиндров диаметром 20 мм и высотой 1 м заполнялись тампонажным раствором, приготовленным за одно затворение. Первая группа помещалась в автоклав, заполненный машинным маслом, а вторая (контрольная) находилась в нормальных условиях. Использование машинного масла вместо воды позволяло определять показатель седиментации в автоклаве непосредственно после опыта, так как выделившаяся из тампонажного раствора вода не смешивалась с машинным маслом.

Были взяты тампонажные растворы с В/Ц = 0,55-0,80. Результаты экспериментов в виде отношения показателей седиментации при Р = 35 МПа и атмосферном давлении (S₃₅/S_ат) представлены в таблице 6.2.

Таблица 6.2. Результаты экспериментов

Состав раствора	В/Ц	S35/Sат
Цемент+вода То же " " " " " "	0,55 0,60 0,65 0,70 0,71 0,72 0,73 0,80	1,05 1,70 1,08 1,19 0,88 0,97 0,85 0,98

Анализ полученных данных показывает, что влияние давления на показатель седиментации незначительно. Однако вполне вероятно, что скорость седиментации в автоклавных условиях значительно больше, чем в нормальных, а длительность этого процесса меньше. В таком случае справедливы обе точки зрения. Давление способствует уменьшению длительности седиментации вследствие интенсификации гидратации, но в то же время скорость седиментации увеличивается вследствие повышения проницаемости системы при сжатии воздуха.

Механические воздействия. Седиментация твердой фазы тампонажного раствора прекращается в тот момент, когда сила сцепления между частицами и поверхностью вмещающей среды становится равной силе тяжести. Однако абсолютное значение сил сцепления между частицами и поверхностью сосуда хотя и достаточно для зависания твердых частиц, но в начальный момент и по прошествии некоторого периода все же весьма мало, и возникшие связи при различном механическом воздействии (вибрации, встряхивании сосуда, ударах) легко разрушаются. Замечено, что при постукивании по корпусу вмещающего сосуда после прекращения седиментации происходит дальнейший рост показателя седиментации. Таким образом, механическое воздействие интенсифицирует седиментационные процессы в тампонажном растворе.