книги из ГПНТБ / Вязельщиков В.М. Барханный песок как промышленное сырье при цементировании скважин

ется в воду при температуре 75°С, периодически стакан

сраствором извлекается из водяной ванны, вставляется

вприбор и на цементный раствор опускается игла. Сущность определения заключается в нахождении

времени* прошедшего от начала раствора до того момен­ та, когда игла не будет доходить до дна стакана на 1—

начала и конца схватывания несколько увеличивается по сравнению с временем схватывания цемента без доба­ вок наполнителя.

Разница между началом и окончанием схватывания у чистого цементного раствора и раствора с 50 процен­ тами песка составляет 25 — 40 минут. Некоторое замед­ ление схватывания можно объяснить тем, что зерна пе­ ска препятствуют притоку воды к цементным зернам, замедляя тем самым время химической реакции цемента с водой (гидратацию).

Факт несколько замедленного схватывания песчани­ стого цемента имеет положительное значение при цемен­ тировании глубоких скважин с забойной температурой до 85 — 90°С, так как отпадает необходимость примене­ ния реагентов-замедлителей схватывания.

Барханные пески из различных площадей Туркмении примерно одинакового удельного веса (2,65—2,69 г/см3), отсюда, удельные веса цементно-песчаных растворов практически одинаковы и изменяются пропорционально количеству добавленного песка. Удельный вес Жидкого песчанистого цемента выше, чем чистого цементного ра­ створа ('2,00 г/см? у раствора состава 60 процентов це­ мента и 40 процентов песка и 1,86 г/см3 у раствора из

20

цемента без добавки наполнителя). Этот факт также имеет положительное значение при цементировании сква­ жин, пробуренных на глинистом растворе удельного веса 1,8—2,00 г1см3. Дело в том, что для успешного запол­ нения затрубного пространства скважины цементным раствором необходимо иметь превышение удельного веса цементного раствора над глинистым на 0,2—0,5 г/см3. В этом случае цементный раствор полностью вытесняет глинистый, создавая надежное крепление ствола сква­ жины. •

Механическая прочность на изгиб, время схватыва­ ния, растекаемость — эти свойства песчанистого цемен­ та удовлетворяют существующий ГОСТ на цементы. Но имеются еще очень важные требования к изолирующему материалу, полнее учитывающие его работу в скважине, а именно •— величина проницаемости и стойкость к раз­ рушительному действию пластовых вод. Эти параметры ГОСТом 1581—42 не оговариваются, так как предпола­ гается, что чистый цемент, имеющий предел прочности на изгиб через двое суток твердения, равный 62 кг/смs, имеет малую проницаемость и устойчив к пластовым водам.

Для всестороннего исследования цемента с добавка­ ми барханного песка были проведены определения проницаемости и устойчивости к пластовым водам. Сравне­ ние этих показателей у песчанистого и «истого цементов выявило преимущества песчанистого цементам

ПРОНИЦАЕМОСТЬ ЦЕМЕНТНОГО' И ЦЕМЕНТНО-ПЕСЧАНОГО МАТЕРИАЛА

При: цементировании скважин основная ' роль зака­ чиваемого гидравлического материала (цементного раст­ вора )■ заключается . в создании в затрубном1пространств

21

ве скважины непроницаемого надежно разобщающего пласты экрана.

Механическая прочность не может характеризовать другие свойства цементного камня — проницаемость, коррозионная устойчивость и другие, она лишь до неко­ торой степени отражает эти свойства, хотя многие из них зависят от одних и тех же факторов и в известной мере одинаково изменяются под их действием.

Коррозионное действие пластовых вод ухудшает ка­ чество цементного камня, уменьшая прочность и увели­ чивает фильтрационную способность. Поэтому проница­ емость цементного камня должна быть настолько малой, чтобы избежать глубокого проникновения пластовых вод и тем самым ослабить их разрушающее действие, а также предотвратить проникновение пластовых вод к обсадным трубам. Контакт воды и поверхности труб crioсобствует коррозии металла, ослабляет связь контакта цемент-труба, создавая тем самым опасность затрубного проявления. Процессы коррозии стали не могут раз­ виваться при высоком значении PH жидкой среды, но в случае даже незначительного притока пластовой воды к поверхности труб PH жидкой фазы может снизиться до опасных пределов, тогда цементный камень не играет никакой роли для предотвращения коррозии и разруше­ ния обсадной колонны.

Особенную роль приобретают эти процессы при ма­ лом диаметре скважин при уменьшенной толщине це­ ментной оболочки.

Свойство породы пропускать через себя жидкости, газы и их смеси при перепаде давления называется про­ ницаемостью. При изучении проницаемости определяет­ ся не только проницаемость, характеризующая свойство породы, но и проницаемость, характеризующая однбвре-

22

менно физико-химические свойства жидкостей, газов и характер их движения.

Для характеристики пород введены понятия абсолют­ ной, эффективной и относительной проницаемости. К эффективной проницаемости пород относится проницае­ мость в естественных условиях или проницаемость по жидкости.

При исследовании цементных образцов определялась

23:

выточках оснований кернодержателя и стакана. Через штуцер стакана подается вода, давление которой через тонкую резиновую трубку надежно уплотняет боковую поверхность образца. Боковое уплотнительное давление на J0 — 15 атм превышает рабочее давление фильтрую­ щейся жидкости внутри образца. Дальнейшие испыта­ ния на проницаемость проводятся по обычной методике, конечной целью является нахождение коэффициента проницаемости (КПР) по формуле Дарси.

Образцы цемента цилиндрической формы готовились в металлических разборных стаканах, куда заливался це^ ментный раствор и твердел заданное время в водной,сре­ де с различной температурой. Выбор температуры опре^

Проницаемость тампонажного цемента с добавками барханного песка в количестве до 60 процентов (ок'веса смеси/, твердейшего одни и двое суток при температуре 65°С представлена на рис. 3. Водо-цементное отношение

-24

для чистого цемента и цемента с добавкой песка до 20 процентов принималось равным 0,5. При больших дозах песка. В/Ц подбиралось таким образом, чтобы растекае* мость растворов находилась в пределах 17— 18 см. Из­ влеченные из форм цементные образцы охлаждались до комнатной температуры и испытывались на проницае­ мость. Предварительного просушивания образцов до по­ стоянного удельного веса не производилось для сохране­ ния естественного состояния цементного камня в сква­ жине. .

Как видно из приведенных данных, проницаемость в общем случае при прочих равных условиях зависит от времени твердения цементного раствора.

Рис. 3. Проницаемость и пористость песчанистого цемента

25

Добавки барханного песка в тампонажный цемент уменьшают проницаемость материала. Так в образцах двухсуточного возраста при содержании песка в цемен­ те до 45—50 процентов (от веса смеси) проницаемость равна исходной проницаемости чистого цемента. Наи­ меньшие значения проницаемости (0,0142—0,015 миллидарси) имеют цементно-песчаные образцы с добавкой барханного 30—40 процентов песка. Проницаемость об­ разцов с песком из районов Вышки при добавках, боль­ ших 55 процентов, несколько ниже, чем проницаемость аналогичного песчанистого цемента, содержащего бар­ ханный песок с площади Котур-Тепе. В первую очередь это объясняется уменьшенной водопотребностью более крупнозернистого песка с Вышки.

Применяющийся тампонажный цемент удовлетворял требованиям ГОСТа 1581—42 (цемент для «холодных» скважин Кувасайского и Вольского заводов).

Снижение проницаемости от добавок песка происхо­ дит как за счет улучшения структуры цементного камня, так и за счет ухудшения смачивания гидрофильной по­ верхности кварца, составляющего в песке 60—65 про­ центов. Улучшение структуры песчанистого цемента до­ стигается уменьшением общей пористости по сравнению с пористостью чистого цемента.

Известно, что в породе, сложенной зернами разного размера, мелкие частицы будут заполнять поры, образо­ ванные крупными частицами. Это приводит к уменьше­ нию пористости, которая будет зависеть от соотношения этих частиц. Если в мелкозернистый цемент добавлять более крупнозернистый барханный песок, то он займет объем порового пространства между мелкозернистыми частичками и, следовательно, уменьшит пористость ма­ териала. Средний размер частиц цементного порошка

26

составляет 10 — 100 микрон, а средний диаметр зерен барханного песка 0,15—0,056 мм.

При увеличении количества крупнозернистых частиц пористость будет уменьшаться, пока количество мелко­ зернистых частиц не станет таким, какое необходимо для заполнения пор между крупными частицами. При этом пористость будет минимальной. Общая пористость пес­ чанистого цемента двухсуточного возраста значительно ниже пористости «чистого» цемента (рис. 3). Наимень­ шую пористость равную 13—18 процентам имеет цемен­ то-песчаный камень с содержанием песка, в пределах 30—40 процентов — пористость снижена в 2,2 раза по сравнению с пористостью цемента без добавок наполни­ теля. При увеличении песка до 55—60 процентов пори­ стость повышается, оставаясь тем не менее ниже пори­ стости «чистого» цемента.

Между коэффициентом и общей пористостью песчани­ стого цемента двухсуточного возраста (содержащего от 0 до 60 процентов барханного песка) удалось установить зависимость, выражающуюся следующей формулой:

Кпр. = 0.001 [1,02ХП — 1.382 + / 1 0 ,78 X Ппр. - 190].(L)

где Кпр- — проницаемость в миллидарси; II — общая пористость в процентах от объема образца.

Подкоренное выражение в приведенной формуле имеет знак (—) , если цементный образец содержит от 0 до 35 процентов песка и знак ( + ), если песка содержится от

35до 60 процентов.

Поскольку проницаемость тампонажного материала

является одним из основных показателей долговечности цементного кольца в скважине, для дополнительной ха-* рактеристики этого фактора был применен косвенный метод' исследования,' заключающийся в визуальном на­

27.

емости) твердели все­ го 20 часов при темпе­ ратуре 50°С, полчаса охлаждались до ком­ натной температуры,

28

никла через образец, было наименьшим у чистого це­

центов песка, оказались более стойкими к принудитель­ ному продвижению воды; через них вода смогла про­ сочиться только через 55 минут.

“Как можно заметить из сравнения данных этого на­ блюдения и значений коэффициента проницаемости, — время прохождения воды через образцы песчанистого цемента различного состава находится в обратной зави­ симости от коэффициента проницаемости.

Цемент, создающий меньшее сопротивление для перетрра жидкости (с небольшим временем прохождения воды) имеет проницаемость выше, чем цемент, у которо­ го время продвижения жидкости через образец более ве­ лико. Примечательно, что образцы с содержанием песка 25 т-t- 40 процентов имеют наименьшую проницаемость и наибольшее время для продвижения через них воды.

Этот метод, определяющий устойчивость цементного материала к проникновению воды, косвенно характери­ зует проницаемость и может использоваться для срав­ нительной оценки тампонажных материалов в условиях промысловых лабораторий. Его основные достоинства: простота прибора, несложность оборудования и воз­ можность изготовления в мастерских, достаточная точ­ ность сравнительных результатов.

Для выбора состава песчанистого цемента, имеющего наименьшую проницаемость в условиях повышенных температур, проводились испытания с образцами, твер­ девшими двое суток в водной среде с температурой 90°С и 130°С при давлении 300—400 атм. Для создания таких условий твердения, приближенных к забою глубокой вы­ сокотемпературной скважины, использовался автоклав

29