4.2.7. ПРОНИЦАЕМОСТЬ КАМНЯ ИЗ ТАМПОНАЖНОГО ЦЕМЕНТА

При сплошном заполнении заколонного про­ странства с полным замещением бурового раствора цемент­ ным переток газа может происходить только через цемент­ ный камень, если проницаемость его высока и перепад дав­ ления достаточный.

Известно, что в результате действия различных температур и давлений при твердении цементного раствора проницае­ мость камня изменяется. Большое значение при этом имеют водоцементное отношение, количество и природа наполните­ лей и срок твердения раствора-камня.

Изменение газопроницаемости цементного камня, твер­ девшего при различных температурах и давлениях в течение от 12 до 168 ч, представлено в табл. 4.7.

На основании данных (см. табл. 4.7) построены графики зависимости проницаемости цементного камня от температу­ ры, давления и от срока твердения (рис. 4.14).

С увеличением возраста наблюдается снижение проницае­ мости цементных образцов, твердевших при температуре 22 и 75 °С, причем темп снижения проницаемости у образцов, твердевших при 22 °С, больше, чем у образцов, твердевших при 75 °С. С повышением температуры от 75 до 110 °С и увеличением давления до 30,0 МПа проницаемость образцов несколько возрастает. К 4 —7 сут проницаемость стабилизи­ руется. Дальнейшее повышение температуры и давления при­ водит к интенсивному росту проницаемости. Так, при темпе­ ратуре 140 °С и давлении 40,0 МПа проницаемость цементно­ го камня с увеличением срока твердения возрастала. При температуре 200 °С и давлении 50,0 МПа проницаемость об ­ разцов из цементного камня оставалась приблизительно по-

Т аб ли ца 4.7 Изменение проницаемости (в мД) цементных образцов, твердевших при

Время, ч

Рис. 4.14. Изменение проницаемости к цементных образцов при различных сроках твердения. Условия твердения образцов:

различных сроков твердения.

Таким образом, при температурах до 100—110 °С портландцементные растворы затвердевают в камень с низкой проницаемостью, что не может быть причиной перетока газа из одного объекта в другой.

При более высоких температурах (>130 °С) и давлениях проницаемость портландцементного камня резко возрастает (30 —80 мД). В последнем случае, если перепады давления до­ статочны, а расстояние между газовым объектом и резервуа­ рами небольшое, вполне возможно начало развития движения газа. При установившемся движении каналы увеличиваются.

На изменение проницаемости портландцементного камня существенно влияет введение добавок и наполнителей.

В табл. 4.8 сведены данные о влиянии водоцементного о т ­ ношения на проницаемость цементного камня, твердевшего при различных условиях.

Видно, что через 2 сут твердения при температуре 130 °С и давлении 40,0 МПа проницаемость камня из новороссий­ ского цемента (по воздуху) составляла всего 2,25 мД (при во­ доцементном отношении 0,5); с увеличением температуры до 150 и 170 °С проницаемость увеличивается до 60 —80 мД, что

Влияние водоцементного отношения на проницаемость камня (в мД)

указывает на необходимость более тщательного контроля за плотностью в случае использования чистых портландцементов для цементирования глубоких высокотемпературных

скважин.

При более высоких температурах и содержании значи­ тельных количеств воды в растворе (80 —90 %) проницаемость камня достигала 100-150 мД. Бесспорно, цементный камень с указанной проницаемостью не может быть тампоном. Газ по нему, как и по каналу, может перемещаться в соседние горизонты.

4.2.8. ВЛИЯНИЕ ПЛАСТОВЫХ ВОД НА ВОЗМОЖНОСТЬ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ГАЗОПРОЯВЛЕНИЙ (КОРРОЗИЯ, СУФФОЗИЯ)

Плотный непроницаемый камень, качество которого не снижается под действием различных факторов (температуры, давления и т.д.), очень устойчив к агрессивным водам вследствие необъемного (поверхностного) разрушения и отсутствия суффозии, выщелачивания и т.д. Обсадные тру­ бы, корродируемые пластовыми водами, в таких случаях лучше сохраняются.

При определенных условиях проницаемость цементного камня является причиной обводнения скважин, перетока нефти и газа из продуктивных горизонтов. При установле­

нии через него фильтрации вод или газа разрушение камня интенсифицируется.

Фильтрация 5%-ного водного раствора сернокислого на­ трия при температуре 100 °С и более не вызывала закупор­ ки пор цементного камня. С увеличением времени прокачи­ вания проницаемость камня повышалась. При низких тем­ пературах (22 °С) после возобновления прокачивания 5%-ного водного раствора сернокислого натрия через 24 ч количество фильтровавшейся жидкости снизилось от 24 до 3 см3/см2 (перепад 2,5 МПа), что указывало на увеличение плотности портландцементного камня.

Твердение цементно-бентонитовых смесей состава 3:1 при температуре 60 °С способствовало уменьшению проницаемо­ сти образцов в коррозионной среде (близкой по составу к пластовым водам) в течение 3 —6 мес. Проницаемость образ­ цов состава 2:1 увеличилась, а из шлаковых смесей при этом уменьшилась. Известь за весь срок твердения выщелачивалась незначительно (около 10 %) по сравнению с исходными кон­ центрациями СаО в смесях.

При температуре порядка 130 °С и давлении 20 —30 МПа проницаемость возрастает и достигает значений десятков миллидарси, что, бесспорно, может способствовать прохож ­ дению газа при соответствующих перепадах давления и высо­ те столба цементного раствора между продуктивным гори­ зонтом и другим коллектором.

Однако времени на образование таких каналов (если они могут являться каналами для движения газа) требуется значи­ тельно больше, чем срок затвердевания цементного раствора в затрубном пространстве.

Цементно-бентонитовые смеси составов 3:1 и 2:1 в услови­ ях длительного твердения при температуре 100 °С в коррози­ онной среде имеют проницаемость в пределах 1,5 —2,3 мД, водопроницаемость при перепаде 0,2 МПа равна нулю.

Цементно-песчаные смеси после твердения в условиях коррозионной среды при высоких температурах и давлениях показывают проницаемость, близкую к нулю.

Резюмируя сказанное, можно сделать вывод, что проница­ емость тампонажного камня не может явиться причиной га­ зопроявлений в процессе цементирования, ОЗЦ или сразу после него даже при ее увеличении вследствие воздействия коррозийных вод.

4.2.9.УСАДКА И ОБРАЗОВАНИЕ ТРЕЩИН

ВЦЕМЕНТНОМ КАМНЕ И ВЛИЯНИЕ

ИХ НА ВОЗМОЖНОСТЬ ГАЗОПРОЯВЛЕНИЙ

Физико-химические процессы схватывания и твердения раствора из портландцемента сопровождаются по­ сле небольшого, обычно не фиксируемого, расширения усад­ кой, выражающейся в незначительном уменьшении внешнего объема твердеющего цемента, что приводит к увеличению прочности, а в некоторых случаях к перенапряжению струк­ туры и частичному разрушению цементного камня.

При непрерывном удалении выделяющейся воды и даль­ нейшем термостатировании образца под давлением (т.е. твер­ дении раствора и камня в случае отсутствия воды), как пра­ вило, цементный камень получается трещиноватым и порис­ тым.* Механическая прочность такого цементного камня в 3 —4 раза меньше, чем при нормальном водоцементном от­ ношении. Трещины, получаемые в цементном камне во вре­ мя твердения последнего в нормальных условиях при отсут­ ствии воды, могут быть каналами для продвижения флюидов, в первую очередь газа, давая начало газопроявлениям.

Анализ литературы показывает, что не происходит усадки камня цементных растворов, твердеющих в гидротермальных условиях при давлении (т.е. в скважине при контакте с во­ дой); в некоторых случаях происходит их существенное рас­ ширение.

Лабораторными работами доказано, что при высоких температурах (75—150 °С) и давлениях (20 —50 МПа) извлече­ ние образцов из форм, предварительно смазанных машин­ ным маслом, сопряжено с трудностями. Образцы цементного камня, затвердевшие в тех же условиях, отделяются от колец Вика, как правило, после ударов молотком по специальной наставке. Все эти и подобные случаи указывают на то, что твердение цементного раствора и камня происходит без усадки.

Более того, в процессе твердения цементного раствора в цилиндрах, в нижней части которых подведен газ, последний не проникает в верхнюю часть, а происходит его поглощение за счет контракционных явлений. В многочисленных экспе­ риментальных работах подобного типа не было ни одного случаях проникновения газа через цементный камень за счет возникших при этом трещин или усадочных изменений.