vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Овчинников В. П. Тампонажные материалы. Конспект лекций

Конечно, эти схемы недостаточно строго доказательны, но они позволяют наглядно представить влияние В/Ц на структуру, цементного камня. Дело в том,

что при формировании цементного камня не удается достичь полной гидратации клинкерных минералов. Подтверждением этому служат и результаты промысловых исследований. Так, например, в образцах тампонажного камня,

извлеченного из затрубного пространства скважины, зацементированной 20-40

лет назад, обнаруживается значительное количество непрореагировавшего цемента. Степень гидратации цементов не превышает 50-60 %. В то же время для обеспечения необходимой подвижности цементных растворов берется избыточное количество воды затворения (В/Ц = 0,5). Учитывая низкую степень гидратации цемента, можно утверждать, что реальное водоцементное отношение достаточно велико, тампонажный камень в затрубном пространстве скважин имеет весьма высокую пористость, причем пористость капиллярную, а поэтому его проницаемость должна быть достаточно высока.

Рис. Гидратация цемента в цементный камень (на примере объемных изменений цементного камня, состоящего из 100г цемента и 40г воды - В/Ц = 0,4)

Рис. Объемные отношения в цементном камне в зависимости от В/Ц. 1 -

объем капиллярных пор; 2 - объем усадочных пор; 3 - объем гелевых пор; 4 -

масса геля; 5 - неиспользованный цемент.

11. Физико-химические явления, протекающие при твердении тампонажных растворов

После продавки тампонажного раствора в затрубное пространство он еще длительное время до превращения, в камень находится в жидком состоянии. При длительном пребывании тампонажного раствора в затрубном пространстве в состоянии покоя, кроме отфильтровывания жидкой фазы и гравитационного

54

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Овчинников В. П. Тампонажные материалы. Конспект лекций

расслоения, раствор может загрязниться минерализованными агрессивными водами, газом поступающим из пластов. Вплоть до начала затвердевания тампонажный раствор не является преградой для движения флюидов, что приводит к образованию каналов, по которым перетоки продолжаются и после затвердевания.

Тампонажный раствор до схватывания и твердения представляет собой систему из огромного числа различных по форме к размерам частиц, соединенных между собой в скелетную структуру, прочность которой зависит от прочности связей между частицами и их индивидуальных характеристик. Поровое пространство между частицами заполнено жидкостью, которая двигается под действием приложенных к ней сил. В местах, где эти силы превышают прочность связей, происходит местные разрушения структуры. Здесь формируются фильтрационные потоки, которые, прокладывая путь по наиболее слабым местам,

имеют сложные неупорядоченные траектории. Твердые частицы, увлекаемые потоками, перемещаясь поступательно, вращаясь и испытывая бесчисленные столкновения, попадают в силу стохастического характера всех этих факторов, в

различные условия. Заходя, в поры ненарушенной структуры, они кольматируют их, образуя новые связи. Происходит перераспределение частиц (внутренняя суффозия), которая создает предпосылки для образования в системе участков с пониженной и повышенной пористостью. В зависимости от длительности,

интенсивности и характера фильтрационных разрушений участки повышенной пористости могут быть объединены системой каналов различного диаметра,

протяженности и конфигурации. При этом тампонажный камень,

формирующийся в таких условиях, может оказаться проницаемым для пластовых флюидов.

Постоянно действующие перепады давления, видимо, интенсифицируют эти процессы, и приводят к формированию капилляров большой величины,

соединению капилляров в свищи и т.д.

Образованию капилляров способствует и отмеченное рядом советских и зарубежных исследователей существенные снижения гидростатического давления столба цементного раствора при нахождении его в покое до начала схватывания.

55

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Овчинников В. П. Тампонажные материалы. Конспект лекций

При седиментации твердая составляющая раствора перемещается вдоль неподвижных стенок скважины и колонны. Одновременно в цементном растворе возрастает прочность структурной решётки, следовательно, растут силы взаимодействия с вмещающей средой, и задерживается оседание твердой составляющей. Происходит выход ее из взвешенного состояния, т.е. твердая составляющая зависает на стенках скважины. Гидростатические давление в скважине будет создаваться не весом раствора, а только весом жидкости затворения. Это будет способствовать поступлению пластового флюида в тампонажный раствор, возникновению в последнем фильтрационных потоков,

нарушению его сплошности и т.д.

Таким образом, продолжительное пребывание в затрубном пространстве тампонажного раствора в жидком состоянии нецелесообразно, прежде всего, с

точки зрения качества разобщения пластов, и, кроме того, чем дольше тампонажный раствор пребывает в жидком состоянии, тем больше расход календарного времени на ОЗЦ (ожидание затвердевания цемента). Поэтому свойства тампонажного материала должны быть таковыми, чтобы цементный раствор при прочих равных условиях после окончания продавки быстро схватывался и превращался в прочный и малопроницаемый камень.

12.Водоотдача тампонажных растворов

Впервые часы после затворения цемента практически вся вода, за

исключением 1-2 %, химически не связана с цементными частицами и удерживается в нем лишь силами поверхностного натяжения, а также за счет адсорбированного действия цемента по отношению к воде. Однако при отделении части воды из цементного раствора в последующем резко меняются условия формирования цементного камня, а вместе с тем и физико-механические свойства самого камня. При непрерывном удалении выделяющейся из цементного раствора воды, цементный камень получается, трещиноватым и пористым. При этом механическая прочность цементного камня в 3-4 раза меньше, чем прочность цементного камня твердевшего при нормальных условиях.

56

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Овчинников В. П. Тампонажные материалы. Конспект лекций

В местах отфильтровывания воды из цементного камня (раствора)

образуются трещины, развитие которых в дальнейшем протекает в сторону расширения их по поперечному сечению и высоте столба.

Выделение воды: из раствора в период твердения цементного камня, как в пристенные слои, так и в верхние части, протекает в процессе гидратации и формирования твердого каркаса в этих частях. Это подтверждается наличием четко выраженных колец роста кристаллического каркаса в поперечном сечении цементного камня.

Вследствие потери значительного количества воды свойства цементного раствора существенно меняются. Схватывание цементного раствора и твердение камня происходит неравномерно. На отдельных участках интервала цементирования против проницаемых пород могут образовываться цементные мосты, которые приведут к серьезному нарушению равновесия давления,

установившегося перед началом цементирования или даже в конце цементирования. Качество цементного камня по интервалам цементирования оказывается далеко неодинаковыми и существенно отличается от качества камня,

который получают и исследуют в стандартных условиях. При отделении избыточной воды из цементного раствора вместе с фильтром происходит удаление гидроокиси кальция и некоторых других продуктов гидратации. Все это,

естественно, не может не отразиться на физико-механических свойствах камня.

Вряде случаев высокая водоотдача тампонажных растворов ограничивает применение того или иного вяжущего материала. Водоотдача чистых (без добавок) цементных растворов зависит от природы цемента, его удельной поверхности, водоцементного отношения и т.д.

13.Седиментация в тампонажных растворах и ее последствия

Впоследнее время многие исследователи, занимающиеся вопросами

крепления скважин, приходят к выводу, что одним из наиболее перспективных и реальных путей повышения качества разобщения пластов является повышение стабильности и седиментационной устойчивости применяемых тампонажных.

растворов. Под седиментационной устойчивостью понимается устойчивость

57

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Овчинников В. П. Тампонажные материалы. Конспект лекций

тампонажного раствора к воздействия гравитационные сил, приводящих к разделению дисперсной среды и дисперсионной фазы. Седиментационную устойчивость тампонажных растворов принято оценивать величиной водоотделения - количеством выделившейся воды затворения, или удельным водоотделением - количеством отделившейся воды затворения, отнесенным к объему цементного раствора или к объему воды затворения.

Действительно, для полной гидратации цементного клинкера необходимо 22-

23 % воды. С целью обеспечения подвижности цементного раствора при цементировании обсадных колонн количество воды увеличивается до 45-50 % от веса сухого цемента. При этом цементные зерна в начальный период обладают невысокой силой сцепления между собой, а суспензионная среда - невысокой вязкостью. Вследствие этого твердые составляющие оседают, а вода затворения поднимается вверх.

В процессе седиментации избыточная вода затворения, взламывая чрезвычайно слабые в начальный период связи между частицами, заставляет их совершать хаотическое движение. Первичные частицы дисперсной фазы,

сталкиваясь, образуют двойные частицы. Последние, также совершая хаотическое движение и встречаясь или с такими же двойными или с оставшимися еще в системе одиночными частицами, образуют строенные или счетверенные частицы,

а затем появляются, более значительные агрегаты.

Когда складываются несколько агрегатов, образуется участок пониженной проницаемости для фильтрирующейся воды.

Образование агрегатов приводит к тому, что плотность структуры постепенно все более различается на отдельных участках системы. При этом общая величина структурной прочности тампонажного раствора в этот период еще низка. Поэтому даже при незначительной, разнице в плотностях одного участка относительно другого происходит нарушение связей в наиболее слабом месте: более плотный сгусток спускается вниз, разрушая структуру менее плотных. Вероятно, что и сам он при движении вниз частично или полностью разрушается. Это будет продолжаться до тех пор, пока растущие прочностные

58

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Овчинников В. П. Тампонажные материалы. Конспект лекций

связи не свяжут их в единый каркас, способный выдержать возникающие напряжения, обусловленные разницей плотности отдельных участков.

По мнению А. И. Бережнова наиболее слабые звенья структуры находятся на,

контакте с внешней средой (стенка скважины, глинистая корка, стенка обсадной трубы), поэтому здесь и происходит сдвиг отдельных цементных зерен,

приводящий к нарушению целостности структуры.

В результате сдвига зерен структура цементного раствора нарушается. В

образующиеся нарушения, которые в первый момент имеют вид точек, а затем приобретают вид бороздок, поступает жидкость, находившаяся до этого в структурных ячейках. Между жидкостью, отфильтровавшейся в бороздку, и

ячейками, откуда была отжата часть жидкости, устанавливается гидравлическая связь. Сила отжатия жидкости из ячеек зависит от ряда факторов, в том числе от гидростатического давления столба раствора, находящегося выше их. Поэтому в бороздках давление жидкости больше, чем давление жидкости в ячейках, которые находятся выше "бороздки" в растворе, структура которого не была затронута нарушениями. В результате, если давление жидкости в "бороздке" преодолевает прочность структурной сетки, отгораживающей ее от вышерасположенных ячеек,

происходит прорыв отжатой жидкости в выше расположение ячейки. В первое время скорости восходящих потоков из вершин "бороздок" невелика, и поэтому поток представляют собой движение чистой жидкости. По мере ее возрастания происходит разрушение прилежащей к потоку структуры раствора, что влечет за собой обогащение жидкости цементными зернами, и через некоторое время весь восходящий поток представляет собой часть цементного раствора, который движется в основной массе цементного раствора. На месте восходящего потока остается канал в основном заполненный водным раствором продуктов реакции между водой и цементом.

Экспериментальными исследованиями, установлено, что недостаточная седиментационная устойчивость тампонажных растворов приводит к развитию целого ряда явление, таких как:

1. увеличение проницаемости цементного камня вдоль направления движения восходящей при седиментации жидкости затворения. Проницаемость

59