ТВЕРДЕЮЩИМИ РАСТВОРАМИ

3.1. ТАМПОНАЖНЫЕ РАСТВОРЫ И СМЕСИ ДЛЯ ИЗОЛЯЦИИ ЗОН ПОГЛОЩЕНИЯ

Опыт борьбы с поглощениями буровых и тампонажных растворов показывает, что успех изоляцион­ ных работ в значительной мере определяется качеством при­ меняемых тампонирующих смесей. Основные требования к ним и методам их испытания вытекают из специфических условий и технологии их применения.

Наиболее распространенным методом изоляции поглоща­ ющих пластов является закачка в скважину цементной смеси, приготавливаемой на поверхности. Технологические условия применения таких смесей и основное их назначение предъяв­ ляют противоречивые требования к структурно-механичес­ ким свойствам тампонирующих растворов. Необходимо, что­ бы во время приготовления и транспортировки по трубам смесь была подвижной. При поступлении смеси в каналы по­ глощающего пласта она должна иметь выраженную структу­ ру, прочность которой быстро возрастает и через 8-10 ч выдерживает определенную нагрузку, т.е. смесь должна прой­ ти ряд превращений, изменяя в определенные моменты свое состояние от жидкотекучего до пластично-вязкого и наконец твердого с определенными физико-механическими характе­ ристиками. Смесь должна легко регулироваться при темпера­ турах и давлениях для изменения структурно-механических свойств и плотности.

Менее распространены способы изоляции поглощающего пласта, основанные на использовании смесей, приобретаю­ щих необходимые свойства в скважине за счет смешения двух компонентов в зоне поглощения (параллельная закачка двух растворов по двум рядам труб, использование глубинно­ го смесителя и т.д.).

По В.И. Крылову, необходимыми требованиями, предъяв­ ляемыми к тампонажным смесям, используемым для изоля-

ции 2°н поглощения, являются вязкоупругие и дилатантные свойсггва.

Вязкоупругие свойства тампонажным смесям можно при­ дать путем ввода в них в небольших количествах некоторых м акр^м о^куляриь^ соединений, обработкой тампонажных смесей взрывом (позволяет получить высокостойкие эмуль­ сии, в которых "вморожены" пузырьки газа продуктов взры ­ ва, что обеспечивает вязкоупругие свойства обработанным смесям); при вводе в цемент алюминиевого порошка и при затворснии смеси водой выделяется газ, при этом образуется цементно-газовая смесь с высокими закупоривающими свой­

ствами* На рис. 3.1 приводится классификация тампонажных сме­

сей, применяемых для изоляции зон поглощения.

3.1.1. ТАМПОНАЖНЫЕ ЦЕМЕНТЫ И РАСТВОРЫ

Способность тампонажных цементов после затворения водой к структурообразованию и твердению (превращению в камень) предопределила их наиболее ш иро­ кое применение для изоляции поглощающих горизонтов.

Применительно к портландцементу (тампонажные цементы для "холодных" и "горячих" скважин) первой стадией структурообразования является возникновение коагуляционной структуры исходных частиц цемента и гидратных новообра­ зований. На второй стадии развивается сплошная рыхлая кристаллизационная структура гидроалюмината, которая обычно разрушается при перемешивании раствора. Третья стадия - это образование кристаллизационной структуры гидросиликатов.

При затворении цемента водой вначале происходит рас­ творение небольшой части его до насыщения, вступающей в химическое взаимодействие с водой. Затем наступает период коллоидации, характеризующейся высокой дисперсностью частиц цемента, - период "собственно схватывания" (коагуляционного структурообразования), переходящий в "собственно твердение" (период кристаллизации) раствора при переходе системы из менее устойчивого состояния в б о ­ лее устойчивое.

В начальный момент затворения цемент эффективно взаи­ модействует с водой. Затем наступает период замедления этих реакций, который зависит от физико-химического со ­

ры* наблюдаются деструктивные явления в виде спадов упру­ гости и прочности.

Модули быстрой эластичной деформации в первой и вто­ рой стадиях для портландцемента изменяются в пределах от 103 до 105 Па, наблюдается развитие медленных высокоэлас­ тичных деформаций с периодом релаксации (1-ьЗ)102 с.

3 третьей и четвертой стадиях модули быстроэластичной деформации изменяются от 106 до 109 Па, резко уменьшается период релаксации высокоэластичных деформаций, что ука­ зывает на коагуляционно-кристаллизационные и кристалли­ зационные структуры в этот период.

При увеличении давления зерна цемента испытывают воз­ растающую нагрузку. В микротрещины зерен вода (особенно обработанная ПАВ) проникает на большую глубину. Зерно цемента (покрытое микротрещинами, наличие которых объ­ ясняется резкими температурными изменениями и ударными нагрузками при производстве цемента) разрушается, обна­ жаются новые поверхности, активность его повышается, тампонажный раствор интенсивнее загустевает и быстрее затвердевает.

В период вязкопластичного состояния (до начала схваты­ вания) сцепление высокодисперсных продуктов гидратации обусловливается ван-дер-ваальсовыми и водородными силами связи, что приводит к образованию тиксотропной коагуляци­ онной структуры.

Сцепление частиц друг с другом происходит также за счет ненасыщенных валентных связей, возникающих в результате механического разрушения кристаллической решетки.

Природа сил, обусловливающих прочность тампонажного камня, имеет различные толкования, основанные как на кри ­ сталлизационной, так и на коллоидно-химической теории. В первом случае она объясняется срастанием кристаллов в мес­ тах контактов за счет ионно-химических связей, а во вто­ ром - сцеплением частиц благодаря ван-дер-ваальсовым по­ верхностным силам.

Таким образом, процесс структурообразования вяжущих веществ происходит в два этапа. Результатом первого этапа является коагуляционная структура частиц и гидратных ново­ образований. Пластическая прочность структуры к этому моменту низка, темп нарастания ее медленный и зависит от связывания воды, степени диспергирования цемента в воде и накапливания гидратных новообразований. Такая система тиксотропна и связь между частицами в ней обеспечивается через гидратные оболочки, которые отделяют их друг от дру­

Сроки схватывания и время загусгеваиия цементных растворов

первую очередь температурой (чем выше температура, тем активнее), давлением, природой цемента, а также количест­ вом и природой химических реагентов (активаторов, замед­ лителей и стабилизаторов).

Именно в процессе формирования камня (цементного кольца) в скважине и совершаются процессы, которые при­ водят либо к сплошному цементному камню, либо к образо­ ванию в нем флюидопроводящих каналов.

Механическое перемешивание существенно изменяет пе­ реход раствора из жидкого состояния в твердое, удлиняя или сокращая этот процесс. В скважине время движения раствора определяет состояние раствора и в последующем ф изико­ механические параметры камня.

Время загустевания короче сроков схватывания растворов; различия между ними достигают ощутимых значений и этого нельзя не учитывать.

Остановки в процессе закачивания цементного раствора в скважину могут допускаться лишь на первой стадии структурообразования.

В табл. 3.1 сопоставляются начало схватывания и время за­ густевания растворов из карадагского цемента для скважин с температурой 75 °С.

На диспергацию твердой фазы и ускорение загустевания и схватывания цементных растворов влияют не только абсо­ лютное значение давления, но и колебания давления, возни­ кающие при закачке растворов в скважину.

Одновременное колебание температуры и давления (по программе изменения условий при закачке и движении там­ понажного раствора) значительно влияет на время загустева­ ния раствора, которое отличается от времени загустевания, определяемого при забойных температурах и давлении.