Тандем - 2, шлакоблочные станки, бетоносмесители


Производство оборудования и технологии
Рубрики

ХАРАКТЕРИСТИКА ТАМПОНАЖНЫХ РАСТВОРОВ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПОВЫШЕНИЮ КАЧЕСТВА ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ В МЕРЗЛЫХ ПОРОДАХ

При заканчивании скважин на Севере обязательным условием обычно является перекрытие толщи мерзлых пород обсадной коло..ной со спуском ее ниже подошвы многолетней мерзлоты. Кольцевое простран­ство между наружной поверхностью колонны и стенкой скважины запол­няют цементным раствором. Он должен гидратировать и твердеть при низких температурах, чтобы поддерживать обсадную колонну (пре­дупреждать проседание) и сцепляться с породой. Цементный камень так­же не должен разрушаться в процессе возможных циклов промерзания —

оттаивания, должен обладать достаточной прочностью для выдерживания сжимающих и растягивающих нагрузок при оседании или замерзании породы. Цементное кольцо должно выполнять и свои обычные функции, перечень которых хорошо известен.

Воспользовавшись методикой раздела 5.2, определим время конца схватывания тампонажного раствора (момент начала образования кам­ня) в зависимости от температуры. В качестве оценки получим следующие результаты: Т = 40°С — конец схватывания 5 ч; Т = 30°С — 8 ч; Т = = 20°С — 16 ч; Т = 10°С — 34 ч; Т — 5°С — 62 ч. Эти результаты удов­летворительно совпадают с экспериментальными данными. Таким обра­зом, обычные цементные растворы в условиях низких положительных и отрицательных температур применять нельзя из-за слишком больших сроков схватывания, опасности преждевременного замерзания и низкой прочности. Из раздела 5.2 известно, что при низких температурах проч­ность камня примерно пропорциональна произведению температуры на время. Например, если при температуре 20°С прочность цементного кам­ня в двухсуточном возрасте будет равна 4 МПа, то при температуре 5°С она составит только 1 МПа, т. е. в 4 раза меньше.

С учетом практических условий цементы для условий низкотемператур­ных пород должны иметь следующие характеристики [77]: короткое время ожидания затвердевания цемента (ОЗЦ); способность схватываться при существующих в скважине температурах без значительного подогрева смеси или прокачки теплой воды; способность схватываться, выделяя при гидратации небольшое количество тепла, что предотвращает допол­нительное таяние многолетней мерзлоты; набор достаточной прочности.

Согласно мнению П. Я- Зельцера [23], крепление скважин в мерз­лоте зависит от физико-механических свойств пород. В одних районах эти породы устойчивы к действию положительных температур; основные труд­ности возникают при бурении и креплении верхних горизонтов, сложен­ных рыхлыми песками, сцементированными льдом. В других районах раз­рез скважин представлен рыхлыми, неустойчивыми породами, которые сцементированы только льдом. Если в первом случае достаточно спуска и цементирования направления, то во втором крепление рекомендуется проводить с некоторыми особенностями. Так, например, при проектирова­нии конструкций скважин целесообразно предусматривать спуск кондук­торов не менее чем на 100 м ниже подошвы мерзлоты, что в значительной мере снижает опасность проседания кондукторов и возникновения других аварийных ситуаций. Подъем тампонажного раствора за направлением и кондуктором до устья следует признать обязательным. Невыполнение этого условия может привести к смятию колонны труб.

Исходя из этого, на месторождениях Севера резко возросла потреб­ность в эффективных методах измерения объема каверн, поскольку тради­ционные приборы дают недостоверную информацию об объеме скважин. Причина заключается в том, что рычаги каверномеров не достают стенок некоторых каверн вообще. Поэтому не удается даже приближенно оценить фактический объем каверн. В работе [36] отмечается, что при определении объема ствола в мерзлых породах существенную ошибку вносит продол­жительность периода времени между кавернометрией и цементированием колонны. В этот период породы продолжают протаивать и разупрочняют — ся. При промывках перед спуском и цементированием колонны слой рас­таявшей слабосвязной породы смывается со стенок циркулирующей жид­костью, что приводит к дополнительному увеличению объема, не учтенно­му каверномером.

Ниже описана изложенная в работе [36] методика определения объе­ма каверн, не требующая специальных скважинных приборов и основанная на измерениях во времени глубины скважины, механической скорости, плотности промывочной жидкости на входе и выходе из скважины, про­изводительности насосов. Предлагаемая методика позволяет независимо от формы ствола скважины непрерывно вести определение его объема и контролировать интенсивность кавернообразования. В работе на кон­кретном примере показан расчет объема каверн при бурении под кон­дуктор (интервал 150—530 м) скв. 451 Уренгойского месторождения.

Бурение велось бурильной колонной диаметром 0,114 м с долотом диа­метром 0,394 м. В процессе бурения и простоев с промывкой плот­ность глинистого раствора на входе и выходе скважины измерялась стан­дартным ареометром. Из-за отсутствия расходомера подача насосов опре­делялась объемным способом по скорости снижения уровня раствора в приемных емкостях при остановленном шламовом насосе. Этот способ удобен на Севере, в частности на Уренгойском месторождении, где при бурении под направление и кондуктор раствор из скважины направля­ется, как правило, по канаве в земляной амбар, из которого центро­бежным шламовым насосом периодически перекачивается в приемные ем­кости. Определение подачи по числу двойных ходов насоса в условиях пло­хой очистки раствора дает менее надежные результаты, поскольку из-за абразивного воздействия глинистого раствора, содержащего много песка, снижается и подчас значительно коэффициент наполнения насосов при эксплуатации. Результаты расчета по методике сведены в табл. 6.3. Вычис-

Т а б л и ц а 6.3

Результаты расчета объема каверн с использованием промысловых данных |36]

Глубина,

м

Бурение

интерва­

Простои с промыв­

Скорость

бурения.

Расход,

м3/ч

Плотность раствора, г/см3

Объем

каверн,

ла, ч

кой, ч

м/ч

вход

выход

м*

150

2,27

0,25

18

120

1,08

1,09

— 1,13

200

1,25

0,25

31

80

1,10

1,11

—3,27

239

0,75

25

160

1,10

1,12

—2,98

258

1,33

15

100

1,12

1,13

—2,41

278

2,67

0,5

27

120

1,12

1,14

2,44

350

1,50

55

180

1,13

1,16

2,25

432

1,17

0,17

0

100

1,15

1,17

6,68

432

2,33

20

180

1,16

1.18

6,24

483

1,50

8

180

1,18

1.18

7,51

495

0,50

0

160

1,18

1,19

9,6

495

1,75

11

170

1,19

1,20

9,37

514

2,0

8

90

1,20

1,20

12,0

530

112

0,75

0

90

1,20

1.21

10,2

ленный объем каверн и объем скважины, определенный стандартным ка­верномером, после вскрытия интервала 150—530 м различаются всего на 2%.

Методика успешно применена на скв. 704, 501, 542, 442 и др. Мед­вежьего и Уренгойского месторождений. Результаты расчетов подтверж­дены подъемом цементного раствора до проектной высоты за колоннами, данными отбивки цементного кольца и акустической цементометрии. Практика также показала, что необходимо тщательно измерять плотность раствора. Для этого пробы раствора следует отбирать у самого выхода из скважины, а также на входе насоса, в местах наибольшего перемешива­ния. Несоблюдение этого условия приводит к значительным погрешнос­тям, которые также могут возникнуть при небрежном измерении плотнос­ти. Часто ошибаются при определении плотности выходящего из скважи­ны маловязкого нетиксотропного раствора, в котором быстро оседает шлам. Поэтому для заполнения ареометра представительной пробой раст­вор необходимо тщательно взболтать. Для определения плотности жела­тельно применять ареометры повышенной точности (до 0,001 г/см3).

Авторы работы [36] считают, что при организованной системе регист­рации скорости механического бурения, подачи насосов и плотности раст­вора методика может найти широкое применение для оценки динамики кавернообразования. В ряде случаев она исключит непроизводительные затраты времени на работы по определению объема каверн специальными геофизическими приборами.

Низкие положительные и отрицательные температуры оказывают воз­действие на цементный раствор. Они не только приостанавливают гид­ратацию, но и разрушают структуру цементного камня [23]. Поэтому цементный раствор должен содержать не замерзающую при скважинной температуре жидкость. Для этой цели в воду затворения вводят противо — морозные добавки (ПМД). В работе [23] указано, что при разработке тампонажного состава важно снижать водоцементное отношение, что позволяет сократить продолжительность ОЗЦ, получить высокие проч­ностные характеристики цементного камня, уменьшить отрицательное влияние на его свойства переменных положительных и отрицательных температур. Также рекомендуется при подготовке рецептур тампонажных растворов к использованию предусматривать определение их физико-ме­ханических свойств не только при отрицательной температуре, но и при положительной температуре, которую будет иметь раствор в период приго­товления. Это позволит исключить его преждевременное схватывание, особенно при проведении цементирования в летнее время. С учетом этих критериев для цементов, поставляемых в районы Восточной Сибири и Яку­тии, были разработаны тампонажные рецептуры, содержащие в качестве химических добавок хлорид кальция (1—5% к массе цемента), гид­роксид калия (0,5—3%) и сульфосалициловую кислоту (0,02—0,1%) при пониженном водоцементном отношении 0,4—0,45.

Формирование структуры цементного камня в зоне мерзлых пород протекает при низких положительных и отрицательных температурах. Это обусловливает медленное схватывание и твердение тампонажного раствора, а в некоторых случаях и преждевременное замораживание.

ИЗ

8 Заказ 1935

Подвергнутый в раннем возрасте замораживанию цементный камень ха­рактеризуется рыхлым строением, низкими прочностными показателями и высокой проницаемостью.

В работе [77] также указано, что арктические цементы не должны замерзать до завершения реакции схватывания. Для этого имеются три альтернативных способа: поддержание соответствующих тепловых усло­вий; понижение точки замерзания; использование быстросхватывающих — ся, выделяющих при гидратации большое количество тепла цементов. Удовлетворяют этим трем способам соответственно обычные цементы для нефтяных скважин (класс А, В, С и G), цементы на основе гипса и глино­земистые цементы. Цементы классов А, В, С и G по стандартам Амери­канского нефтяного института (АНИ) не схватываются при температурах ниже точки замерзания, даже когда схватывание ускоряется добавкой 4%-ного хлорида кальция. Если они замерзают, а потом оттаивают, то система приобретает невысокую прочность. Замерзая в цементе, вода об­разует каналы, ослабляющие структуру и делающие ее пористой.

Наиболее доступным и удобным способом ускорения схватывания цементных растворов и сокращения времени их твердения при низких температурах является введение в их состав химических реагентов, пони­жающих температуру замерзания жидкой фазы. Благодаря этому минера­лы портландцементного клинкера могут гидратировать, обеспечив тверде­ние на морозе без структурных изменений камня.

В результате выполненных исследований бетонов установлены эффек­тивные противоморозные добавки и их оптимальные дозировки. Так, А. В. Лагойда [1974 г.] рекомендует применять в качестве ПМД при отри­цательной температуре поташ. Оказалось, что поташ наиболее эффекти­вен для цементов с повышенным содержанием трехкальциевого силиката и трехкальциевого алюмината. Положительное влияние поташа на про­цесс твердения цемента заключается не только в снижении темпера­туры замерзания жидкой фазы, но и в создании условий, необходимых для образования новых соединений, упрочняющих твердеющий камень. Так, например, в результате взаимодействия алюмосодержащих клинкерных минералов с поташом при отрицательной температуре образуется гидро — карбоалюминат кальция состава СзА• СаСОз-11НгО, что приводит к уве­личению прочности.

В работе [67] приведены основные требования к тампонажным ма­териалам, применяемым для цементирования скважин в многолетнемерз­лых породах, а также в породах, имеющих низкие положительные (до 10°С) температуры. Установлено, что из всего многообразия противомо — розных добавок наиболее приемлемой для цементирования скважин в мерзлоте является калийно-щелочная добавка (К2СО3+КОН). Калий­но-щелочной раствор (КЩР), по мнению авторов, обладает рядом поло­жительных свойств в сравнении с другими добавками, применяемыми в настоящее время. Отличительной особенностью в сравнении, например, с хлоридами является отсутствие коррозии металлоконструкций (обсад­ные трубы, емкости и т. п.) Основными преимуществами КЩР перед растворами на основе хлористого кальция или хлористого натрия явля­ются следующие: цементный раствор не замерзает при температуре

до — 10°С; не корродирует металл и цементный камень; повышается проч­ность цементного камня; камень не имеет спадов прочности во времени и ниже расход химических добавок.

Согласно работе [77] гидратация цементов может протекать доста­точно эффективно в случае поддержания соответствующих тепловых ус­ловий. Температурные измерения в стволе скважины, проведенные с по­мощью термисторов на кабеле, показали, что обычные цементы могут с ус­пехом использоваться при условии, что температура жидкого цементного раствора поддерживается в пределах от 4,4 до 7,2°С. Такие условия можно создать при условии, когда в процессе схватывания в обсадной колонне циркулирует теплая вода. Однако, следует быть внимательным при це­ментировании неустойчивых участков, так как температура на границе по­рода — цемент может быть значительно ниже непосредственно за обсад­ной колонной.

В работе [39] также отмечается, что цементный камень при креплении кондуктором интервала мерзлых пород формируется в неблагоприятных условиях. При этом схватывание цементного раствора протекает при не­больших положительных температурах. Возможен даже случай, когда на стенке скважины устанавливается отрицательная температура. В зоне отрицательной температуры цементный раствор замерзает не схватив­шись, а в зоне положительной температуры после твердения имеет низкую прочность. Идея предлагаемого в работе [39] метода интенсификации процесса схватывания цементного раствора в затрубном пространстве заключается в том, чтобы перед цементированием обсадной колонны на­греть небольшой слой пород вокруг ствола скважины. Этого будет доста­точно, чтобы создать благоприятный температурный режим при схватыва­нии цементного раствора. На практике это может быть реализовано сле­дующим образом. Пусть башмак обсадной колонны должен достигнуть глубины Н (обычно Hi на 50—100 м превышает глубину подошвы слоя мерзлых пород). Температура входящего бурового раствора при прибли­жении временного забоя к глубине Н резко увеличивается за счет пред­варительного нагрева на поверхности и создается запас тепла. Этот запас тепла и замедлит процесс восстановления температурного равновесия в стволе скважины, создавая благоприятные условия для схватывания цементного раствора.

Для выяснения оптимальных условий данного процесса в работе [39] проведено моделирование на гидроинтеграторе. Задачу решали в два этапа. Сначала определяли возмущение температурного поля вокруг сква­жины в процессе циркуляции промывочной жидкости. На втором этапе определяли температурное поле в скважине и в породах после прекраще­ния циркуляции. Гидромоделирование показало, что увеличение темпера­туры промывочной жидкости (на втором этапе) — наиболее оптимальный путь интенсификации процесса схватывания цементного раствора в за­трубном пространстве. При рассмотрении задачи не учитывалось тепло гидратации, которое уменьшит скорость охлаждения стенок скважины после прекращения циркуляции промывочной жидкости. В заключение авторы отмечают, что предлагаемый метод не рекомендуется при крепле­нии слабосцементированных льдом пород, так как из-за обрушения и смыва оттаявших пород не произойдет аккумулирование тепла в при­ствольной зоне. Указанный метод можно применять только в интервалах устойчивых мерзлых пород.

Выше было отмечено [77], что одним из требований к цементам явля­ется выделение небольшого количества тепла. На этот фактор обращают внимание и другие авторы. Так, например, в работе [74] указывается, что при цементировании разведочных скважин в мерзлых породах достаточ­ная уверенность в успехе возможна в том случае, если в процессе гидра­тации цементного раствора не произойдет протаивания льда. Поэтому технология цементирования должна быть такой, чтобы не вызывать рас­тепления пород на стенках скважины. В частности рекомендуется приме­нять тампонажные растворы с низкой теплотой гидратации и отличающие­ся низкой теплопроводностью. В работе получено решение, которое позво­ляет дать ответ на вопрос о правильном подборе составов цементных раст­воров, исключающем протаивание мерзлых пород.

Одним из мероприятий, обеспечивающим качественное крепление скважин, является использование специальных цементов на основе гипса. Результаты промысловых и лабораторных работ [77] показали, что темпе­ратурные пики, свидетельствующие о гидратации гипсовых смесей, воз­никали через 2—3 ч. Это указывает на гидратацию и схватывание. Изме­рения свидетельствуют о низком тепловыделении при гидратации. В аме­риканской практике низкотемпературные вяжущие состоят из цемента класса G по стандарту АНИ, соли для понижения точки замерзания и хи­мических добавок, регулирующих время загустевания, а также гипса. Ши­роко применяется смесь 60% гипса и 40% цемента класса G. Гипс обеспе­чивает развитие ранней прочности, даже при низких температурах, а це­мент класса G обеспечивает более позднюю прочность. Цементные раство­ры готовят смешением холодного цемента и холодной воды, которые схва­тываются при температурах от —9 до 26°С.

В работе [77] также отмечается, что цементный камень в поздние сроки должен иметь достаточно высокую прочность, чтобы выдерживать дополнительные нагрузки, возникающие при оттаивании и замерзании. Однако гипсопортландцементные смеси, содержащие соль для понижения точки замерзания, и портландцементы, содержащие соль для ускорения процесса гидратации, могут разрушаться вследствие ионной диффузии. В целом послегидратационная неустойчивость и понижение прочности арктических цементов представляют собой проблему, пути решения кото­рой до конца не ясны.

Результаты исследования тепловыделения цемента на гипсовой основе описаны в работе [18]. Приводятся как лабораторные, так и промысло­вые результаты. Отмечается близкий характер зависимостей, опреде­ленных этими методами в процессе ОЗЦ в течение 54 ч. Другими слова­ми, фактические данные по изменению температуры на внешней стенке направления в процессе ОЗЦ на скважине Возейского нефтяного место­рождения и расчетные температуры хорошо соответствуют друг другу. Исходя из этого, решена обратная задача: построены зависимости тепло­выделения цемента на гипсовой основе в процессе гидратации. Сравне­ние рассчитанных значений с данными экспериментального исследования в лаборатории показало, что в течение первых 12 ч ОЗЦ расхождение экспериментальных данных с расчетными достигает 50% и более, а для позднего времени расхождение составляет только 11 —13%. Максимум температуры наступает примерно через 3 ч после цементирования и со­ставляет около 10°С. Это свидетельствует о схватывании цемента на гип­совой основе. В дальнейшем тепловыделение уменьшается, что выражает­ся в постепенном снижении температуры цементного раствора за обсад­ной колонной.

Проведение промысловых исследований с регистрацией температур в процессе ОЗЦ дает представление о поведении цемента и окружающих пород в естественных условиях, позволяет оценить с точностью около 20% их теплофизические свойства и рекомендовать мероприятия по обеспече­нию необходимых тепловых условий в скважине.

В работе [10] приведены некоторые результаты исследования цемен­тов на основе гипса при низких положительных температурах. Отмечается, что на площадях Среднего Приобья до глубин 400 м характерны геоста — тические температуры 6—8°С, поэтому при цементировании кондукторов портландцементные тампонажные растворы схватываются медленно и нормативное время ОЗЦ сравнительно велико. При использовании ле­жалых цементов сократить его не удается даже введением более 2% хлорида кальция. Необходимо отметить, что продолжительность ОЗЦ пос­ле цементирования кондукторов часто принимают ниже нормативной. Однако это приводило к просадкам кондукторов вследствие недостаточ­ной удерживающей способности камня. В работе [10] предлагается иной путь сокращения ОЗЦ — применение тампонажного быстротвердею — щего расширяющегося цемента (ЦТБР, выпускается по ТУ 21-32-61—74). Он представляет собой смесь совместного помола высокоалюминатного (50%) цемента, гранулированного шлака (25%) и природного двуводного гипса (25%).

Для регламентирования времени ОЗЦ при цементировании кондукто­ров ЦТБР была исследована ранняя прочность цементного камня при температуре 6°С. Отмечается [10], что за период ОЗЦ тампонажный камень должен набрать прочность, необходимую для удержания кондукто­ра на весу: 0,056 МПа на разрыв или 0,224 МПа на сжатие. Исследования показали, что камень из ЦТБР набирает такую прочность через 7—8 ч, а портландцементный камень через 16—20 ч.

Иногда при цементировании мерзлых пород наблюдается поглощение цементного раствора, что предопределяет использование составов с пони­женной плотностью. В работе [66] приведены результаты исследования свойств облегченного тампонажного материала. В Качестве облегчающей добавки использовали вспученный вермикулит. Из табл. 6.4 следует, что цементный раствор схватывается и твердеет при пониженных температу­рах. Указано, что частицы вермикулита оказывают закупоривающее дей­ствие на проницаемые пласты, способствуя увеличению высоты подъема раствора в затрубном пространстве скважины. Приготовление вермикули — тового раствора осуществляется двумя способами. Первый сводится к перемешиванию цемента и вермикулита в сухом виде с последующим затворением смеси раствором хлорида кальция. Второй способ заключает-

Сроки схватывания цементного раствора плотностью 1520 кг/м3 и прочность цементного камня

Состав цементного раствора, вес. части

Темпера­тура, °С

Сроки схватывания, ч — мин

Проч­ность на изгиб через 2 сут, МПа

начало

конец

1 ПЩ-0,11 верм.+

20

3—40

6—00

0,8

+ 1,1р (Ю%СаС12)

5

4—50

8—20

0,6

0

6—50

11—30

0,5

1 ПЦ+0,09 верм.-j-

20

3—25

5—00

1,1

1,1р (10%СаС12)

5

4—55

7—50

0,8

0

14—20

18—25

0,5

1 ПЦ+0,05 верм.+

20

4—25

7—35

1,0

+ 1,3р (10%СаС12)

5

5—40

9—20

0,9

0

8—30

12—40

0,5

ся в затворения цемента на предварительно приготовленной пульпе верми­кулита в растворе хлорида кальция. Поскольку в процессе перемешива­ния вермикулит распускается до образования седиментационно устой­чивой пульпы, то затворение цемента на пульпе позволяет получить ус­тойчивый к седиментации раствор с более высокими прочностью и рас­ширением цементного камня.

По мнению авторов работы [66] введение в цементный раствор вер­микулита может сыграть еще одну положительную роль. Частицы вспу­ченного вермикулита являются эффективными компенсаторами давления, так как, например, при снижении гидростатического давления много­слойные частицы вермикулита с «защемленным» воздухом расширяются, поддерживая постоянное забойное давление. Это может предотвращать проявления или межпластовые перетоки.

В северных районах для цементирования колонн на участках мерзлых пород наиболее широко используют тампонажные растворы с ус­корителем твердения — хлористым кальцием. Известно, что «водяные пояса», образующиеся в седиментационно неустойчивых тампонажных растворах на участках мерзлых пород могут стать причиной смятия ко­лонн. С этой целью в работе [5] было исследовано изменение ионного состава жидкости отстоя такого тампонажного раствора при длительном контакте с цементным камнем и металлом труб. В опытах использовался тампонажный раствор, приготовленный из цемента Коркинского комби­ната. В качестве жидкости затворения использовали 6%-ный водный раст­вор хлорида кальция. Водоцементное отношение было принято равным 1, чтобы получить достаточное количество отстоя. Результаты исследова­ний показали, что в водной фазе отмечается постепенное падение кон­центрации ионов за счет химического связывания. Плотность отстоя сни­жается, а температура замерзания приближается к 0°С. Визуальный ос­мотр металлических частей установки показал, что на контакте жидкость отстоя — металл наблюдаются незначительные следы коррозии, а на кон­такте металл — цементный камень коррозия отсутствовала. В то же время части металла, смоченные водным раствором хлорида кальция в воздуш­ных условиях корродировали весьма интенсивно.

Результаты работы [5] показали, что высокая концентрация хлорида кальция не может предотвратить замерзание жидкости отстоя, так как со временем ее минерализация уменьшается, а температура замерзания приближается к нулю. В то же время цементный камень с добавками хло­ристого кальция не вызывает интенсивной коррозии труб в скважине в отличие от железобетонов, эксплуатируемых в воздушно-влажных ус­ловиях.

Цементирование скважин в северных районах связано с целым ря­дом трудностей. Одной из основных является недостаток цементировоч­ной техники, невозможность ее транспортировки в условиях бездорожья, а также неприспособленность для работы в экстремальных условиях. В работах [14, 75] рассматривается технология, согласно которой весь или большая часть цементного раствора готовится в специальной на­копительной емкости и после этого насосом буровой установки или це­ментировочными агрегатами закачивается в скважину. Цементный раст­вор определенное время находится в накопительной емкости, условия хранения в которой должны обеспечить его осреднение и подвижность, до­статочную для закачивания в скважину.

В работе [5] исследованы закономерности изменения подвижности це­ментного раствора, что позволяет определить рациональный режим пере­мешивания и некоторые конструктивные особенности осреднительной ем­кости. В частности, большое значение имеет угол ее наклона, оптимальное значение которого зависит от подвижности цементного раствора. Увели­чение угла против оптимального приведет к сокращению полезного объема емкости, а уменьшение вызовет образование остатка, что увеличит рас­ход цемента.

Изучение подвижности растворов проводилось при помощи конуса АзНИИ и созданного для этих целей прибора. Методика работы заключа­лась в следующем. Готовится цементный раствор, определяется его плот­ность и растекаемость. Затем одновременно заполняются емкость прибора и конус и выдерживаются в покое определенное время. Затем определя­ется растекаемость цементного раствора. В исследованиях использовался цемент Здолбуновского завода. Оказалось, что растекаемость зависит от длительности нахождения раствора в покое. При этом через 15—20 мин растекаемость снижается до 12—14 см, а через 1 ч подвижность практи­чески полностью теряется.

Результаты выполненных исследований показали, что при использова­нии накопительных емкостей следует знать допустимое время покоя це­ментного раствора. Это время следует определять в процессе подбора рецептуры и можно принять допустимую растекаемость, равную 14 см.

В работе [14] также исследовались влияние перемешивания и особен­ности цементирования с применением накопительной емкости. Результаты исследований показали возможность проведения процесса цементирова­ния по схеме: приготовление, накапливание, осреднение и закачивание в скважину. При такой схеме должно повыситься качество цементирова­ния за счет осреднения и ускоренного схватывания раствора в скважине.

Если фактическая продолжительность нахождения в емкости по непред­виденным причинам будет превышать расчетную, то следует ввести в це­ментный раствор дополнительное количество замедлителя схватывания. При разработке рецептуры следует учитывать такую возможность. Наи­более оптимальная продолжительность периода нахождения цементного раствора в накопительной емкости составляет 4 ч.

Одним из наиболее важных аспектов проблемы цементирования сква­жин в интервале залегания многолетнемерзлых пород является преду­преждение смятия обсадных колонн при замерзании воды в затрубном или в межтрубном пространстве. Осложнения такого рода могут возникать в случае остановок скважин на длительные периоды времени или при их консервации [17]. Процесс замерзания воды в затрубном пространстве протекает вследствие восстановления естественного температурного поля, а также под влиянием атмосферной температуры в холодное время года. В связи с тем что при замерзании воды ее объем увеличивается, появляется вероятность смятия или разрыва колонн в интервале многолет­немерзлых пород. В работе [17] описаны результаты промысловых изме­рений возникающих при замерзании воды избыточных давлений. При этом показано, что увеличение давлений может достигать нескольких сотен атмосфер. В связи с этим имеется практическая потребность в такой технологии цементирования скважин в мерзлой зоне, которая дает воз­можность предупредить повреждения обсадных колонн.

Первая рекомендация была рассмотрена выше и заключается в со­вершенствовании технологии вскрытия мерзлых пород, исключающей чрезмерное кавернообразование. В случае успешного решения данного во­проса вероятность повреждения колонн резко снижается по двум основ­ным причинам. Во-первых, появляется возможность обеспечить более каче­ственное цементирование, т. е. вытеснить из затрубного пространства водосодержащие смеси. Во-вторых, отсутствие интенсивного кавернообра­зования резко ограничивает объем жидкости в затрубном простран­стве, поэтому даже в случае ее замерзания снижается вероятность смя­тия обсадной колонны.

Одним из мероприятий, направленных на предупреждение смятия ко­лонн, является увеличение толщины стенок и применение сталей более высокой группы прочности. Но такой подход, как правило, неэкономичен, а иногда и технически неосуществим.

Другой подход, известный из зарубежных и отечественных патентов, заключается в снижении температуры замерзания жидкости в затруб­ном пространстве. Для этой цели обычно рекомендуется использовать соли типа хлористого натрия или кальция. Однако практически концен­трация соли постепенно снижается, поэтому процесс замерзания воды не исключается, а только переносится на более поздние сроки.

Известны также предложения по обогреву колонны электрическим током и циркулирующей жидкостью, имеющей положительную темпера­туру. Были предложены и некоторые другие способы. Однако их практиче­ская реализация весьма затруднительна, а в ряде случаев и неоправданна.

Более реальным способом предупреждения повреждений колонн яв­ляется их качественное цементирование. Практика показала, что данная технология должна предусматривать применение седиментационно устой­чивых цементных растворов, т. е. исключать образование замкнутых объемов воды в интервале цементирования. Актуальность такого подхода объясняется многочисленными примерами повреждений колонн, обуслов­ленных седиментационной неустойчивостью тампонажных растворов. Ска­занное выше, например, относится к Мессояхскому и Соленинскому месторождениям, а также к месторождению Прадхо-Бей в США.

Таким образом, возникает необходимость разработки и применения седиментационно устойчивых тампонажных растворов. Примерами ре­цептур подобного рода являются составы, приведенные в табл. 6.4. Их седиментационная устойчивость обеспечивается введением вермикулита. Дело в том, что добавки такого типа имеют малую водопотребность, а вследствие небольшого удельного веса и специфической дисперсности способны к образованию устойчивой структуры. Аналогичными полез­ными свойствами обладают перлит, торф и другие наполнители с повы­шенной воздухововлекающей способностью. В качестве другого примера можно привести рецептуру, предложенную А. А. Клюсовым (массовые доли): цемент 0,92, 10%-ный водный раствор хлористого кальция 1, перлит 0,08. Смесь этого состава не подвергается расслоению, т. е. седиментационно устойчива. Принципиально рецептуры такого типа ана­логичны тем, которые приведены в табл. 6.4.

[1] Заказ.1935

Оставить комментарий