Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

В работе [25] описаны результаты численного решения задачи о диффузии, реализованное на ЭВМ. Для представления уравнения диффу­зии использовали (в конечно-разностном виде) абсолютно устойчивую не­явную схему. Программа записана на фортране и решается методом про­гонки. В программе можно задавать коэффициенты диффузии в цемент­ном кольце D и окружающем пространстве Di, изменяющимися во вре­мени и по радиусу. По предложенной программе проведены расчеты из­менения в тампонажном растворе (цементном кольце) концентрации со­лей. Определялась концентрация соли на контакте цементного кольца с горной породой, поскольку в этом месте должно быть наиболее значи­тельное снижение концентрации соли в поровом пространстве цементного раствора. Важно отметить то, что концентрация противоморозной добавки в этом месте изменяется сразу в момент контакта, что следует непосред­ственно из выражения (4.4). Если в этой формуле принять время равным нулю, то получим Сг = Со; где С0 — постоянная величина. В процессе расчета на ЭВМ определяли относительную величину Сг/Со, где Со — на­чальная концентрация раствора соли в водной фазе цементного раство­ра, Сг — концентрация соли в тампонажном растворе на контакте с горной породой. Расчет проводили для двух вариантов, различающихся коэффи­циентами диффузии. В первом варианте принимали D = £>г = 4* 10-6 м2/ч, во втором — DI— 0,4- 10_б м2/ч и £>г = 4* 10~6 м2/ч. Во втором варианте учитывали уменьшение коэффициента диффузии в процессе ожидания затвердевания цемента (ОЗЦ) за счет сопротивления среды, вызванное кристаллообразованием, происходящим при гидратации цемента. Сниже­ние коэффициента диффузии цементного раствора может иметь место так­же в случае снижения водоцементного фактора, использовании для затво­рения цемента водного раствора ПАВ и т. п. В целом данные значения коэффициентов диффузии характерны как для окружающих пород, так и для тампонажного или промывочного растворов.

В первом варианте на контакте цемент — порода относительная кон­центрация электролита в цементном кольце в начальный момент сразу падает до 0,5, а во втором варианте до 0,24. Точно такой же результат следует из формулы (4.4), в чем можно убедиться путем подстановки ис­пользованных значений D и Di. При цементировании относительная концентрация противоморозной добавки в растворе снижается от 1 до 0,9 на расстоянии 3—4 мм от контакта цемент — порода уже через 1 ч после окончания цементирования. Затем зона падения концентрации продолжа­ет расширяться и через 12 ч достигает 5—13 мм.

Уменьшение коэффициента диффузии цементного раствора (вари­ант 2) снижает темп падения общей концентрации ПМД в цементном кольце. Однако на контакте с породой концентрация ПМД уменьшается относительно первого варианта более чем в 2 раза: с 0,5 до 0,24. Числен­ный анализ показал, что снижение концентрации добавок в растворах за счет диффузии существенно, и этот эффект необходимо учитывать при вы­боре начальной концентрации ПМД в тампонажном растворе, а также в технологии цементирования.

Проведены также сравнительные расчеты изменения Сг/Сос использо­ванием аналитической формулы (4.4) и результатами численного реше­ния для радиального случая. Сравнение показало, что различие невелико, причем расчет по формуле (4.4) дает верхнюю оценку Сг/Со, т. е. ее мож­но использовать в инженерных расчетах.

На рис. 4.4 представлены результаты расчета изменения концентрации ускорителя схватывания в водной фазе цементного раствора и камня в различные моменты времени. Толщина цементного камня принята равной 3 см, а периоды времени равны 0,1; 5:10 и 20 сут. Коэффициенты диффу­зии цементного раствора и горной породы приняты одинаковыми и рав­ными 0,4-10-6 м2/ч. Из графиков на рис. 4.4 следует, что концентрация ускорителя с течением времени довольно заметно снижается. Принимая во внимание невысокую скорость гидратации цемента при низких положи­

тельных и отрицательных температурах, можно сделать вывод, что проч­ность цементного камня не достигнет того значения, которое было опре­делено в лаборатории. В особенности это относится к тому участку це­ментного кольца, который располагается вблизи контакта с горной поро­дой. Во-первых, концентрация соли здесь падает сразу после закачки це­ментного раствора. Во-вторых, в этом месте более низкие значения тем­пературы, что также тормозит процесс гидратации. По этой причине на контакте цемента с породой может произойти замораживание, что приве­дет к деструкции цементного камня: он будет иметь пониженную проч­ность и повышенную проницаемость.

Необходимо отметить следующее важное обстоятельство. В практиче­ских условиях может иметь место такая ситуация, когда цементный раствор контактирует с залежами пластового льда или просто водной фа­зой, образовавшейся при таянии мерзлых пород. Согласно полученным в разделе 4.1 результатам коэффициент диффузии цементного раствора будет в 4 раза меньше, чем для воды. Так, для воды принимают молеку­лярный коэффициент диффузии Do, а для цементного раствора (согласно рис. 4.3) коэффициент диффузии может достигать 0,25 Do. По данным того же рис. 4.3 максимальное значение коэффициента диффузии цемент­ного раствора составляет примерно 0,5 Do. Учитывая эти данные, опреде­лим падение концентрации ускорителя схватывания или ПМД на контакте цементный раствор — вода. Для расчета воспользуемся выражением (4.4), при помощи которого определим относительную концентрацию Сг/Со. Рассмотрим также два варианта. В первом варианте считаем, что D = 0,5Do и Di = Do. Во втором варианте принимаем Di = 0,25Do и Di — — Do. Получаются следующие результаты. В первом варианте Сг/Со = = 0,41, а во втором Сг/С0 = 0,33. Таким образом, концентрация ускори­теля схватывания в цементном растворе на контакте с водой может сни­жаться, весьма значительно и составлять только 33% от исходной кон­центрации в жидкости затворения. Учитывая, что мощность пластового льда может достигать нескольких десятков метров и даже более, неучет этого фактора может сказаться отрицательно на качестве цементирова­ния. Одним из мероприятий, которое рекомендуется использовать автора­ми работы [74], может быть создание такого температурного режима твердения цементного раствора, при котором отсутствует плавление сте­нок скважины. Возможно также использование специальных цементов на гипсовой основе. Более подробно на этом вопросе остановимся в гл. 6.

Комментарии запрещены.