Архив WinRAR_1 / Лекции_ХИМИЯ

Метод основан на измерении показания угла поворота цилиндра вискозиметра при различных скоростях вращения, при увеличении скорости θУВ, а затем, обратно, при снижении скорости θУМ. После снятия показаний на разных скоростях определяют статическое напряжение сдвига (СНС) при 3 об/мин после 10 сек и 10 мин состояния покоя

Обработка результатов.

Ротационный вискозиметр имеет три константы:

k1 - торсионная константа на единицу отклонения, зависит от жесткости пружины

k2 - константа напряжения сдвига для эффективной площади внутри цилиндра [см-3]

k3 - константа скорости сдвига [сек-1/об/мин]

Используя эти константы и снимаемые с прибора показания можно рассчитать ряд реологических параметров исследуемого раствора:

Скорость сдвига [сек-1] γ=k3 n Напряжение сдвига [Па] τ= k1 k2 θ Вязкость [Па*сек] η=

Для каждой скорости можно вычислить отношение углов закручивания.

Если

то раствор считается неосаждающимся, свойства не зависят от времени при средней температуре теста;

, то раствор считается склонным к осаждению;

, то раствор считается склонным к гелеобразованию;

Для расчета в полевых условиях применяют следующие формулы:

Кажущаяся вязкость [сПз] Пластическая вязкость [сПз] ηпл= θ600- θ300

22

Приблизительное значение динамического напряжения сдвига [Па]

τ0=0,479 ( θ300- ηпл)

Точное значение динамического напряжения сдвига [Па] τ0=0,51 (

θ300- ηпл)

Где θ300 и θ600 - показание вискозиметра при 300 и 600 об/мин соответственно

Растекаемость цементного раствора

В течение времени, пока цементный раствор закачивают в заданный интервал скважины, он должен оставаться легкоподвижным. Растекаемость

— это условная мера подвижности или прокачиваемости свежеприготовленного раствора. Ее измеряют по ГОСТ 26798.1-96 с помощью прибора, называемого КР-1 (конус АзНИИ).

Цементный раствор наливают в конус вровень с верхним торцом. Затем конус без промедления плавно поднимают вверх. Раствор растекается по стеклу, покрывающему шкалу. Средний диаметр круга расплыва цементного раствора характеризует растекаемость раствора.

Цементный раствор считают достаточно подвижным, если его растекаемость равна не менее 18 см. Растекаемость зависит от тонкости помола цемента. Увеличить ее можно повышением водоцементного отношения или введением в раствор реагента-понизителя вязкости (пластификатора).

Консистенция и сроки загустевания цементного раствора

Спустя некоторое время после затворения и механического перемешивания начинает проявляться способность цементных растворов к структурообразованию, которое выражается последовательно в загустевании и схватывании растворов. Время загустевания должно быть несколько больше времени, потребного для приготовления, закачивания и продавливания тампонажного раствора в тампонируемую полость.

Определение сроков загустевания и времени схватывания цементного раствора основано на методе измерения консистенции при создании условий,

23

приближенных к условиям внутри скважины, с помощью консистометра высокого давления модели CHANDLER 7222. Диапазон изменений давления

– от атмосферного до 154 МПа, диапазон изменения температур – от 0 до 205°С. Консистометр высокого давления CHANDLER 7222 имеет встроенный графопостроитель, который рисует кривые изменения давления, температуры, консистенции.

Сроки схватывания цементного раствора - время теста между моментом запуска температуры и давления на консистометре высокого давления и моментом, при котором консистенция раствора достигает 100 Вс.

Сроки загустевания цементного раствора - Время теста между моментом запуска температуры и давления на консистометре высокого давления и моментом, при котором раствор оказывается не прокачиваемым. По спецификации 10А АНИ это время соответствует значению консистенции равном 70 Вс, а по ГОСТ 26798.1-96 это время соответствует значению консистенции 30 УЕК.

Примечание: 1Вс=1УЕК=0,1 Па*с=1cPs.

Cроки схватывания цементного раствора

При проведении цементировочных работ необходимо знать срок, в течение которого цементный раствор в условиях данной скважины сохраняет подвижность (прокачиваемость), а также срок, необходимый для превращения раствора в камень. Эти сроки называют соответственно началом и концом схватывания и определяют с помощью прибора Вика путем периодического измерения глубины погружения в образец твердеющего раствора иглы стандартного размера под действием постоянной нагрузки. Промежуток времени от момента затворения до момента, когда игла при погружении в образец не доходит до дна кольца с раствором на 1-2 мм, называют сроком начала схватывания. Промежуток времени от момента затворения до момента, когда игла погружается в раствор не более чем на 1

мм, называют сроком конца схватывания.

24

Прибор Вика ОГП-1 предназначен для определения сроков схватывания цементного раствора при атмосферном давлении.

Для определения сроков схватывания при температурах до 250°С и давлениях до 100 МПа предназначена установка УС-1М. Также для различных термобарических условий используют ультразвуковой анализатор прочности цементного камня CHANDLER 4262.

Водоудерживающие свойства Седиментационная устойчивость цементного раствора

Под седиментационной устойчивостью подразумевают способность частиц тампонажного раствора удерживаться в жидкости затворения во взвешенном состоянии под действием сил тяжести. Раствор не обладающий удовлетворительной седиментационной устойчивостью, способен в покое расслаиваться на твердую и жидкую фазы, в нем могут образовываться каналы и трещины в различном направлении.

Седиментационную устойчивость цементного раствора оценивают по:

Коэффициенту водоотделения цементного раствора

Седиментации цементного раствора

Водоотделение цементного раствора

Всоставе цементного раствора всегда присутствует дисперсионная среда и дисперсная фаза. В качестве дисперсной фазы выступает цементный порошок и добавки, нерастворимые в дисперсионной среде. Дисперсионной средой является жидкость затворения. При затворении цементного раствора примерно третья часть жидкости затворения идет на реакцию с компонентами цементного порошка. Остальная часть в виде свободной воды позволяет раствору иметь ту или иную подвижность.

Со временем эта свободная вода может выделяться из раствора, и возможно его расслоение на пачки цемента и воды, образование каналов, по которым поднимается вверх жидкость затворения. В реальных условиях скважины это означает, что по этим каналам и расслоениям в процессе

дальнейшей эксплуатации может поступать пластовый флюид. Таким

25

образом, прочного надежного сцепления и герметизации в заколонном пространстве скважины мы не получим.

Этот процесс, проходящий в статических условиях, назван

водоотделением, его характеризует коэффициент водоотделения

цементного раствора (nв%).

Методы измерения коэффициента водоотделения основаны на измерении количества (Vв) выделившейся воды из цементного раствора через два часа покоя. Измерения проводят с помощью 500 мл конической колбы (в соответствии со спецификацией 10А АНИ) или 250 мл мерного цилиндра (в соответствии с ГОСТ 26798.1-96)

Коэффициент водоотделения (nв%) для цементного раствора при любом способе тестирования

где Vв - объем выделившейся жидкости, мл

Vцр - объем испытуемого цементного раствора, мл

Чтобы в заколонном пространстве создавался прочный и надежный камень, и была бы обеспечена герметичность крепи, цементный раствор должен выделять не более 2% воды от общего объема раствора. Такое требование предъявляют на цементный раствор все применяемые в мире стандарты и спецификации по техническим условиям и методам испытаниям цементных растворов.

Для снижения количества выделяющейся воды в раствор вводят специальные добавки, связывающие воду.

Седиментация цементного раствора

Для качественной оценки седиментационной устойчивости используются два цилиндра 250 мл, установленные один вертикально, другой под углом 10-15 C. Если цементный раствор седиментационно неустойчив, в нем образуются каналы, трещины или пояса, заполненные дисперсионной средой, причем по каналам дисперсионная среда поднимается вверх, пока не

26

завершится процесс седиментации. Результатами наблюдений является запись характера изменения структур в течение времени, а также различия в характере изменения структуры столбов растворов в вертикальном и наклонном цилиндрах.

Водоотдача цементного раствора

Вода, выделившаяся из цементного раствора в проницаемый пласт, называется фильтратом цементного раствора. В результате выделения фильтрата изменяются все важные свойства цементного раствора, сокращается срок загустевания, вязкость повышается, уменьшается выход раствора. Если выделение фильтрата происходит в зоне продуктивного пласта, возможно ухудшение коллекторских свойств пласта. Добавки, контролирующие водоотдачу, в большинстве случаев предотвращают выделение большого количества фильтрата из раствора.

В цементных растворах с высокой водоотдачей могут возникать водо- и/или газоперетоки, мгновенное схватывание в результате дегидратации, или повышение вязкости раствора. Последнее неизбежно ведет к повышению давления прокачки и возможно в результате к потере циркуляции.

Специалисты в области цементирования скважин предлагают следующие нормы для количественной оценки водоотдачи, при различных операциях по цементированию.

Таблица 2 - Нормы для количественной оценки водоотдачи

27

проницаемость пласта, высокое дифференциальное давление или другие различные условия могут воздействовать на водоотдачу больше, чем добавок, контролирующих водоотдачу рекомендуется в таблице.

Цементный раствор, не содержащий добавки, имеет водоотдачу свыше

1000 см3/30 мин. Различные концентрации добавок, контролирующих водоотдачу, дают различные значения водоотдачи. Численные значения водоотдачи, а также их единые общепринятые интерпретации приведены

Для тестирования показателя водоотдачи цементных растворов при различных термобарических условиях используют фильтр-пресс модели CHANDLER 7120. Этот прибор имитирует внутрискважинные условия и

28

предлагают надежный метод для определения эффективности анализируемого материала. Величина условной водоотдачи измеряется через 30 минут в см3 [см3/30мин].

Если период водоотдачи составляет менее 30 мин, то величину условной водоотдачи за 30 минут рассчитывают по формуле

где t - время от начала процесса фильтрования, мин

Vсобр - количество жидкости отфильтровавшейся из цементного

раствора за время t, см3.

Контракция цементного раствора Контракция цемента - уменьшение суммарного объема продуктов

реакции гидратации цемента по сравнению с суммой объемов исходных веществ. Контракцию объясняют различием плотностей исходных и конечных продуктов твердения, в том числе увеличением плотности воды, вошедшей в состав новообразований и адсорбированной на их поверхности. В начальный период твердения контракция вызывает уменьшение внешнего объема изолированной пробы тампонажного раствора. После образования структуры явления контракции приводят к увеличению пористости и развитию вакуума в образце. Поэтому фильтрационная корка и порции бурового раствора, находящиеся в затрубном пространстве скважин в контакте с твердеющим тампонажным раствором, могут быть в значительной степени обезвожены. Они становятся пористыми, трещиноватыми, что может послужить причиной снижения герметичности затрубного пространства. В ограниченном пространстве скважины снижение объема может повредить передаче гидростатического давления на породу и способности цементного камня предотвращать заколонные перетоки.

Определение контракции основано на измерении уровня столба воды в стеклянном капилляре, расположенном над цементным тестом, помещенным в герметизируемый сосуд, с помощью прибора контрактометр КД-07.

29

Уровень измеряют при постоянной температуре в диапазоне (20 - 25) °С в течение 3 ч.

Суффозионная стойкость

Каналы, размытые в структуре тампонажного раствора (и камня) фильтрующимся пластовым флюидом, принято называть суффозионными, а сопротивление раствора размыву и образованию таких каналов -

суффозионной стойкостью.

Цементный раствор на стадиях загустевания и схватывания и сформировавшийся камень должны быть непроницаемы для воды, нефти и газа

Для оценки суффозионной стойкости может применяться анализатор миграции газа.

Приготовление цементного раствора в лабораторных условиях

Перемешивание всех компонентов цементного раствора по ГОСТ 26798.1-96 осуществляется с использованием лопастной мешалки с верхним приводом постоянной скорости.

При приготовлении стандартного водного цемента ВМЦ в первую очередь в жидкость затворения вводят жидкие добавки, затем затворяют цементную смесь и сухие добавки. Cкорость вращения лопастного устройства должно составлять 1500±100 об/мин. Время перемешивания раствора до однородного состояния в течение 180±5 с.

Перемешивание всех компонентов цементного раствора по спецификации 10А АНИ осуществляется с использованием миксера с нижним приводом модель 3060 CHANDLER ENGINEERING. Схема ввода реагентов аналогична, как при приготовлении с использованием лопастной мешалки. Непосредственно в процессе добавления сухой смеси, частота вращения миксера должна составлять 4000±200 мин-1 в течение 15 секунд. После добавления всего объема сухой смеси, емкость накрывают крышкой и увеличивают частоту вращения до 12000±500 мин-1. Перемешивание продолжается в течение 35 секунд.

30

Основные свойства цементного камня

Прочность

Проницаемость

Коррозионная устойчивость

Прочность цементного камня

Прочность тампонажного камня характеризуется временным сопротивлением сжатию, растяжению или изгибу. Прочность цементного камня определяют на изгиб и на сжатие при термическом или термобарическом воздействии на образцы. С этой целью определенной формы образцы цементного камня испытывают на прочность и определяют напряжение, соответствующее разрушению образца. Обычно интересующие показания по прочности снимают через 24 часа и через 48 часов.

Предел прочности цементного камня при изгибе и на сжатие

Прочность на изгиб измеряют механическим способом с помощью, к примеру, аппарата МИИ-100.

Предел прочности цементного камня на сжатие

Прочность на сжатие может измеряться широко известным механическим методом с помощью динамометра и гидропресса, при котором производится разрушение образца. Наряду с этим методом существует еще акустический метод определения прочности цементного камня на сжатие, при помощи ультразвукового анализатора прочности цементного камня CHANDLER 4262. При этом методе, образец не разрушается, а результатом эксперимента является кривая роста прочности образца. Данные, полученные при проведении теста, поступают на компьютер при помощи программного обеспечения.

Проницаемость цементного камня

Под проницаемостью цементного камня понимают его способность пропускать через себя жидкости или газы при определенном перепаде давления. Для обеспечения надежного разделения пластов цементный камень в затрубном пространстве должен иметь минимально возможную

31