Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Это — твердеющие дисперсные системы, простейшие из кото­рых представляют собой смесь цемента и воды. Свойства раство­ров и тампонажного камня регулируются в широких пределах применением всех перечисленных выше добавок и реагентов. Вид и количество добавок определяют часто не только свойства раствора и особенности его поведения в тех или иных условиях, но и название. При добавке полимеров цементные растворы на­зываются полимерцементными. Иногда в названии отражается и вид полимера, например метасоцементный раствор, полиакрил-амидцементный раствор и т. д.

При введении глины цементные растворы могут называться гельцементными, глиноцементными. В то же время небольшие добавки глины, используемые для повышения седиментационной устойчивости цементных растворов и снижения водоотдачи, могут и не отразиться в названии. Цементный раствор с добавкой активного ускорителя схватывания, например жидкого стекла, может называться быстросхватывающейся смесью, Такое же на­звание может иметь и тампонажный раствор другого состава. Все это приводит к неоправданному многообразию названий це­ментных растворов и затрудняет их классификацию.

Особенность цементных растворов — их необратимое затвер­девание в результате сложных физико-химических превращений при взаимодействии цемента с водой затворения.

Образование цементного камня. Контракция

Образование тампонажного камня из растворов на основе цементов связано с образованием трехкальциевого гидроалюми­ната. Процесс этот происходит условно в два этапа.

В начальный момент затворения цемент эффективно взаимо­действует с водой. Мельчайшие частицы его растворяются, бо­лее крупные гидратируются с растворением вещества поверх­ности. Затем наступает период замедления этих реакций. В это время цементный раствор представляет собой пластическую мас­су. На поверхности частичек образуются сольватные оболочки и положительные электрические заряды, между ними возникают силы отталкивания. Наряду с этим зерна цемента в массе рас­твора настолько сконцентрированы, что между ними возникают силы взаимного притяжения. Так как на острых краях цемент­ных зерен толщина сольватной оболочки меньше, чем на осталь­ных участках поверхности, то плотность электрического заряда здесь меньше и, следовательно, меньше сила отталкивания. Од­новременно в результате химического взаимодействия состав­ляющих цемента появляются гидратные новообразования. В си­стеме образуется коагуляционная структура. Завершается пер­вый этап (индукционный).

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, связи между частицами в ней обеспечиваются через гидратные обо­лочки и поэтому слабы. После механического разрушения си­стемы эти связи восстанавливаются. Разрушение структуры (на­пример, в процессе перемешивания) не приводит к вредным по­следствиям.

Второй этап характеризуется возникновением и развитием кристаллизационной структуры трехкальциевого гидроалюмина­та ЗСаО•А12О3•6Н2О, который кристаллизуется в кубической сингонии. Поверхность и объем частиц увеличиваются настоль­ко, что возникают молекулярные связи между ними. Этот про­цесс сопровождается интенсивным нарастанием прочности структуры. Связь между частицами здесь отличается высокой прочностью и необратимым характером разрушения. Разруше­ние структуры на этом этапе приводит к уничтожению контак­тов срастания и резкому снижению прочности. Если перемешать раствор в достаточно поздний период твердения, то тампонаж­ный камень может вообще не образоваться.

Длительность каждого этапа и скорость перехода первого этапа во второй обусловлены скоростью накапливания гидратных новообразований, которая зависит от водоцементного отно­шения, качества цемента и воды затворения, наличия добавок и реагентов, условий приготовления и цементирования.

Состав и свойства цемента, как уже отмечалось, определя­ются соотношением составляющих минералов. Характер накап-ливания гидратных новообразований зависит во многом от ско­рости гидратации. Многочисленные исследования показали, что чистые цементообразующие минералы по скорости гидратации располагаются в следующем порядке (в сторону уменьшения):

Так как процесс цементирования сопровождается непрерыв­ным перемешиванием цементного раствора, очень важно качест­во схватывания раствора в таких условиях. Во многом процесс схватывания зависит от того, в какой период твердения нача­лось перемешивание, с какой скоростью и как долго оно проис­ходит.

Если перемешивание продолжается достаточно долго, то схватывание может не наступить. Прореагировав, цементный раствор превратится в землистую рыхлую массу. Если переме­шивание прекращается во время индукционного периода, то оно не препятствует схватыванию и не оказывает вредного влияния на свойства цементного камня. Напротив, он получается более плотным и прочным. При этом с увеличением длительности и интенсивности перемешивания в пределах этого периода поло­жительное влияние перемешивания на свойства камня возраста­ет. По П. А. Ребиндеру, это объясняется разрушением при пе­ремешивании возникающей в начальный период рыхлой и мало­прочной структуры, вместо которой образуется более плотная и прочная структура гидросиликатов кальция.

При постоянном перемешивании происходит непрерывное разрушение образующейся структуры с увеличением концентра­ции мельчайших частиц продуктов гидратации. Появление во все возрастающем количестве таких частиц с большой удельной поверхностью значительно интенсифицирует процесс структурообразования. В результате этого сопротивление перемешиванию постепенно возрастает. Если интенсивность перемешивания не­достаточна для полного разрушения структуры, то в некоторый момент происходит лавинное нарастание сопротивления. Время от затворения до этого момента называется временем загустевания. Продолжение перемешивания в последующий период приведет к необратимому разрушению структуры, а даже крат­ковременная остановка — к схватыванию раствора с полной по­терей подвижности.

В процессе цементирования загустевание раствора может привести к такому росту давления в нагнетательной линии, ко­торое превысит технические возможности бурового насоса, и он может остановиться, что приведет к практически мгновенному схватыванию цементного раствора в скважине и нагнетательной линии.

Рис. 71. Кривые загустевания це­ментного раствора при 22 °С и ин­тенсивности перемешивания:

1 — 15 об/мин; 2 — 60 об/мин

Рис. 72. Зависимость сроков схва­тывания цементного раствора от тем­пературы А И давления Б:

1 — начало схватывания; 2 — Конец схва­тывания

Количественная оценка влияния перемешивания затруднена, так как воспроизвести при исследованиях все условия цементи­рования практически невозможно. Представление о характере изменения скорости загустевания раствора в процессе переме­шивания дают исследования на консистометрах (рис. 71).

Повышение температуры интенсифицирует процессы, проис­ходящие в цементных растворах, в первую очередь вследствие усиления гидратации. Кроме того, изменяется растворимость минералов цемента в жидкой фазе, что увеличивает скорость роста гидратных новообразований. Влияние температуры на процесс схватывания цементного раствора с В/Ц = 0,4 Показано на рис. 72, А.

Процесс схватывания значительно замедляется при низких, и особенно при отрицательных, температурах. Растворение в жидкой фазе цементного раствора продуктов гидратации и гид­ролиза соединений цемента понижает температуру ее замерза­ния и делает возможным твердение раствора при температурах несколько ниже нуля. Полностью гидратация прекращается при температуре около —10 °С.

Воздействие давления также сокращает сроки схватывания цементных растворов. Характер изменения сроков схватывания с ростом давления приведен на рис. 72, Б.

Одновременное действие дав­ления и температуры еще более интенсифицирует процессы, про­исходящие при схватывании це­ментных растворов (рис. 73).

Рис. 73. Кривые загустевания це­ментного раствора:

1, 2, 3 — Температура 40 0С, давление соответственно атмосферное, 7 МПа, 14 МПа; 4, 5, 6 — Температура 80 0С, давление соответственно атмосферное, 7 МПа, 14 МПа

Из сказанного выше следует, насколько сложно учесть сово­купное влияние факторов, опре­деляющих скорость превращения цементного раствора в камень, с тем чтобы правильно выбрать свойства раствора. В то же время задача эта чрезвычайно актуальна.

Превращение цементного рас­твора в камень сопровождается контракцией — сокращени­ем суммарного объема цемента и воды в процессе гидратации. Это обусловлено перестройкой кристаллических решеток исход­ных минералов клинкера из атомных в молекулярные при их гидратации. Различают физическую и химическую контрак­цию. Преобладает контракция, обусловленная в основном хи­мическими процессами.

Внешне контракция проявляется поглощением воды (или газа), находящейся в контакте с твердеющим цементным рас­твором. При полной гидратации цементных зерен поглощение прекратится. Максимальное количество поглощенной воды (контракция) составляет 7—9 мл на 100 г и зависит от актив­ности цемента. Чем выше активность цемента, тем выше конт­ракция. У высокоактивных цементов контракция через 28 сут твердения достигает 50—65% предельной и в дальнейшем ее интенсивность значительно понижается. Цементы низких марок к этому сроку имеют контракцию 30—40% от предельной.

При твердении цементных растворов находящиеся с ними в соприкосновении буровые растворы и их фильтрационные корки обезвоживаются, становятся трещиноватыми, пористыми. Это объясняет явление нарушения герметичности при удачном каза­лось бы цементировании. Поэтому при выборе свойств цемент­ного раствора и их регулировании необходимо считаться с воз­можными при этом характеристиками цементного камня.

Свойства цементных растворов и их регулирование

В практике бурения одна из исходных (обычно задаваемых) характеристик цементного раствора — водоцементное отноше­ние. В зависимости от геолого-технических условий и техноло­гии работ водоцементное отношение колеблется в пределах от 0,4 до 0,65. В указанных пределах цементные растворы подвиж­ны и удовлетворительно перекачиваются насосами.

В полевых условиях определяют плотность (или ею задают­ся), растекаемость, сроки схватывания, водоотдачу. В лабора­торных условиях дополнительно измеряют консистенцию и за-густевание при непрерывном перемешивании, структурную вяз­кость и динамическое напряжение сдвига, пластическую проч­ность (для гидравлических расчетов), седиментационную устой­чивость.

Для тампонажных растворов, состоящих только из воды и обычного портландцемента, нормальные свойства находятся в пределах: плотность 1,75—1,95 г/см3, растекаемость 18—25 см, сроки схватывания: начало — до 5,5 ч, конец схватывания — до 8 ч (при В/Ц = 0,4), водоотдача —до 300 см3. Консистенция 15 — 20 усл. ед., структурная вязкость 0,04—0,08 Па•с, динамическое напряжение сдвига 6—12 Па, седиментационная устойчивость до 2,5%.

Необходимо указать на свойство цементных растворов изме­нять свои параметры на контакте с промывочной жидкостью в скважине при цементировании. Особенно значительно меняются свойства на контакте с глинистыми растворами. При этом могут образоваться густые пасты, вязкость которых в десятки и сотни раз больше вязкости исходных компонентов, что приводит к увеличению давления при цементировании и ухудшению каче­ства работ. Величина зоны загустевания раствора определяется составом компонентов и условиями цементирования. По мере движения сгустившейся смеси наблюдается ее разжижение, скорость которого обусловлена составами цементного раствора и промывочной жидкости. Наименьшая скорость разжижения при наличии в растворах полимеров, наибольшая — в присутст­вии ПАВ и нефти.

Для оценки возможности и характера загустевания в сква­жине цементного раствора с промывочной жидкостью готовят наиболее густую смесь и определяют ее растекаемость. Если последняя менее 16—18 см, необходимо при возможности изме­нить состав цементного раствора, взять другой цемент, напри­мер шлаковый, или комбинировать другие компоненты. Если растекаемость увеличить не удалось, рекомендуется применять буферную жидкость для разделения цементного раствора и про­мывочной жидкости.

Все свойства цементных растворов в широких пределах ре­гулируются содержанием и составом твердой фазы. Использу­ются смеси цементов, добавки других вяжущих веществ, глин, химических реагентов, минеральных и органических наполни­телей. Добавки этих веществ изменяют и свойства цементного камня. Характер действия веществ, используемых для регулиро­вания свойств цементных растворов, остается в целом аналогич­ным и для других тампонажных составов, содержащих цемент в качестве составляющей твердой фазы.

Регулирование плотности Цементного раствора заключается в уменьшении его плотности путем: 1) увеличения водоцементного отношения; 2) введения в раствор добавок, требующих по­вышенных количеств воды; 3) введения добавок (наполнителей), имеющих меньшую плотность, чем цемент; 4) аэрации. Утяжеление цементных растворов осуществляется введением утяжеляющих добавок.

Увеличением водоцементного отношения плотность цементно­го раствора может быть изменена в относительно небольших пределах, так как при этом резко ухудшается седиментацион­ная устойчивость, растут водоотдача и сроки схватывания. Так, при увеличении водоцементного отношения с 0,45 до 0,6 при плотности цемента 3,1 г/см3 плотность цементного раствора уменьшится всего на 0,17 г/см3.

Введение добавок, требующих повышенного содержания во­ды в растворе, позволяет регулировать плотность цементного раствора в более широких пределах, так как водоцементное от­ношение можно повысить до 0,8. В качестве таких добавок наи­более распространены глины, особенно высококачественные.

При помоле неорганических облегчающих добавок плотность цементного раствора может быть уменьшена до 1,3 г/см3. Орга­нические наполнители используются в основном как закупори­вающий материал при цементировании зон поглощений. Так как концентрация наполнителей в растворе невелика (до 5%), существенного понижения плотности при их введении добиться не удается.

Аэрация цементных растворов проводится при цементирова­нии поглощающих интервалов и реализуется компрессорным методом, путем взрыва заряда взрывчатого вещества в сква­жине в растворе, введением в раствор перед закачкой порошка алюминия. Аэрацией можно в широких пределах регулировать плотность цементных растворов.

Регулирование сроков схватывания Цементных растворов за­ключается как в их уменьшении, так и в их увеличении. К со­кращению сроков схватывания стремятся при цементировании поглощающих зон, а также с целью уменьшения времени на ожидание затвердения цементного раствора в случаях, когда это не приводит к значительному уменьшению прочности цементно­го камня.

Замедлители схватывания приходится добавлять, когда есть опасение, что раствор начнет загустевать до окончания закачки. Это может быть обусловлено составом цементного раствора, а также повышенными температурой и давлением.

Увеличение содержания активной твердой фазы приводит к значительному уменьшению сроков схватывания. Однако воз­можности здесь ограничены, так как при этом резко возрастают реологические показатели, уменьшается растекаемость и раст­вор может оказаться непрокачиваемым.

В некоторых пределах можно уменьшать и увеличивать сро­ки схватывания, подбирая смеси цементов. Так, смеси портланд­цемента с глиноземистым, а особенно с гипсоглиноземистым, дают ускоренно схватывающиеся растворы, а добавки шлаковых цементов уменьшают сроки схватывания. Значительно снижают­ся сроки схватывания цементных растворов при добавках гипса (алебастра). При этом резко уменьшаются растекаемость и прочность цементного камня, особенно в начальный период твер­дения. Увеличивая содержание гипса, можно получить быстро-схватывающуюся смесь.

Регулирование водоотдачи Обычно сводится к ее уменьше­нию, для чего используются добавки глины и органических ре­агентов. Повышенная водоотдача цементного раствора может привести к осложнениям в процессе цементирования, так как при обезвоживании состава ухудшается прокачиваемость рас­твора и растет давление в насосах.

Регулирование реологических показателей Также заключа­ется в их снижении путем введения пластификаторов и реаген­тов-стабилизаторов. Эта задача особенно актуальна при исполь­зовании растворов с повышенным содержанием твердой фазы и уменьшенными сроками схватывания.

Регулирование коррозионной стойкости Сводится к введению высокомолекулярных добавок (КМЦ, гипана, ПАА) в портланд-цементы, что уменьшает скорость выщелачивания извести. Шла­ковые цементы характеризуются низким содержанием извести, поэтому выщелачивание извести из них понижено. Для умень­шения сероводородной агрессии ограничивается содержание в цементе окислов железа, марганца и других металлов. Умень­шение до 5% трехкальциевого алюмината ограничивает суль­фатную агрессию.

В пластовых водах с высоким (более 1000 мг/л) содержани­ем ионов магния стойкость цементного камня повышается, если использовать смесь портландцемента и доменного шлака гру­бого помола в соотношении от 1 : 1 до 1 :3.

Регулирование объемных изменений при твердении Достига­ется добавками расширяющегося цемента и сводится к сохра­нению и некоторому увеличению объема цементного камня. Расширение цементного камня в процессе твердения способству­ет уплотнению глинистой корки на стенках скважины и повы­шению надежности герметичности затрубного пространства. Оп­тимальным считается расширение 1—2%.

Активация цементных растворов

В последнее время разрабатывают и начинают применять методы регулирования свойств цементных растворов путем до­полнительного воздействия на раствор (его активации). Раз­личают следующие методы активации: 1) вибрацию; 2) допол­нительное перемешивание (на поверхности и в скважине);3) ультразвуковое воздействие; 4) обработку электрическим разрядом; 5) обработку электрическим полем; 6) обработку магнитным полем; 7) магнитомеханическую обработку.

Сущность первых четырех методов активации сводится к до­полнительному диспергированию частиц цемента.

Сущность обработки электрическим полем сводится к сле­дующему. При наложении на цементный раствор знакоперемен­ного постоянного тока происходят электроосмос, электрофорез, электролиз, поляризация и ориентация частиц. Эти явления су-щественно влияют на растворимость

Минералов, скорость коагу­ляции и несколько изменяют свойства воды.

Действие магнитного поля связано со структурными изме­нениями в веществе, возникающими в результате ориентирую­щего или поляризующего действия магнитного поля. Структура, возникшая при перемещении воды в магнитном поле, не ста­бильна. В целом магнитная обработка сокращает сроки схваты­вания и увеличивает прочность цементного камня.

Магнитомеханическое воздействие сводится к обработке це­ментных растворов магнитным полем и ферромагнитными те­лами. При этом снижается водоотдача, несколько возрастают сроки схватывания, увеличивается прочность цементного камня. Активация позволяет получить цементные растворы удовлет­ворительного качества из лежалых цементов.

Приготовление цементных растворов

Небольшие объемы раствора готовят вручную или с по­мощью буровых насосов. Для получения больших количеств раствора применяют цементно-смесительные машины со смеси­тельными устройствами вакуумно-гидравлического типа. При бурении нефтяных и газовых скважин используют цементно-сме­сительные машины СМ-10, 2СМН-20, СПМ-20, 2АС-20 с бунке­ром вместимостью 10 и 20 т цемента.

Для разведочного бурения больше подходит цементно-смеси-тельная машина СМ-4М, предназначенная для транспортирова­ния сухого цемента на буровую установку и механизированного приготовления цементного раствора. Объем бункера 3 т цемен­та, производительность машины 6—10 л/с готового раствора. Все оборудование смонтировано на шасси автомобиля ЗИЛ-131А высокой проходимости. Если буровые установки укомплектованы глиномешалками, последние также могут быть использованы для механического приготовления цементных рас­творов.

Необходимое количество сухого цемента qц В кг на 1 м3 це­ментного раствора с водоцементным отношением В/Ц Вычисля­ется по следующей формуле:

QЦ=PЦРв/[рв+(В/Ц)PЦ]. (XII.1)

Необходимый объем воды в м3 на 1 м3 цементного раствора

υB =Q(В/Ц)/PB. (ХII.2)

Плотность цементного раствора в кг/м3

Или

Здесь рцр, рц, рв — плотность соответственно цементного рас­твора, цемента и воды, кг/м3.

Общее количество сухого цемента Qц в кг, требующееся для приготовления цементного раствора в объеме Vцр

Общий объем воды VВ В м3 для приготовления цементного раствора

Vв=υВVцр. (XII.6)

При заданной плотности цементного раствора рц водоцемент-жое отношение

При сложной рецептуре цементного раствора, включающей дополнительно компоненты твердой и жидкой фазы, расчет ко­личества компонентов при заданном составе сухой смеси, соста­ве жидкости затворения и водоцементном (водотвердом) отно­шении выполняется следующим образом.

Требуемое количество сухой смеси в кг на 1 м3 цементного раствора

Здесь

Где А1, А2,…, Ап — массовые доли компонентов сухой смеси; р1, р2,…, рn — плотности компонентов.

Где B1, B2 ,…, Bj — Массовые доли компонентов жидкости затво­рения; р‘1, р‘2,…, р‘I — плотности компонентов жидкости затво­рения.

Требуемое количество компонентов сухой смеси (в кг) на 1 м3 раствора

Требуемое количество жидкости затворения {в кг) на 1 м3 раствора

υЖ = QС(B/T) (XII.12).

Требуемое количество компонентов жидкости затворения (в кг)

Плотность тампонажного раствора (в кг/м3)

Pтр = qс+υж (ХII.14)

По приведенным формулам вычисляют расход компонентов и при приготовлении других тампонажных составов, кроме син­тетических смол.

Комментарии запрещены.