Основные свойства тампонажного цементного раствора и камня
 Скачать 281.49 Kb.
|
|
Министерство образования и науки Российской Федерации Российский государственный университет нефти и газа (национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина. Факультет разработки нефтяных и газовых месторождений. Реферат на тему: «Основные свойства тампонажного цементного раствора и камня». Подготовил: студент группы РБ-17-01 Мамуткин Д.В. Москва, 2020. ОглавлениеВведение. 2 1.Основные свойства цементного раствора. 3 1.2.Седиментационная устойчивость цементных растворов. 3 2.2.Водоотдача цементного раствора. 4 2.3.Срок загустевания цементного раствора. 6 2.4.Срок схватывания цементного раствора. 8 Булатов А.И. Технология цементирования нефтяных и газовых скважин. Монография. — М: Недра, 1983. — 135 с. 9 2.5.Плотность цементного раствора 9 2.6.Растекаемость цементного раствора. 10 2.6 Реологические свойства тампонажного раствора. 10 2.Основные свойства цементного камня. 11 2.1. Прочность цементного камня. 11 2.2.Водопроницаемость цементного камня. 13 2.3.Адгезия цементного камня. 13 2.4.Усадка и расширение цементного камня. 14 Заключение. 16 Список использованной литературы. 17 Введение.Цементирование скважин – важный этап строительства скважины. Значение цементировочных работ обуславливается тем, что они являются заключительным процессом, и неудачи при их выполнении могут свести к минимуму успехи предыдущей работы, вплоть до потери скважины. Недоброкачественное цементирование скважин нередко является единственной причиной газопроявлений, грифонообразований и открытых нефтяных и газовых фонтанов. Оно приводит к перетокам нефти и газа в другие пласты, имеющие меньшее давление, обводнению продуктивных горизонтов. Качество цементирования скважин и долговечность их работ во много зависит от тампонажных материалов, цементного раствора и камня. Свойства цементного раствора и камня зависят от многочисленных факторов, основными из которых являются химико-минералогический состав, качество и количество наполнителей, водоцементное отношение, количество и природа химических наполнителей, температура, давление и т.д. Основные свойства цементного раствора. От свойств цементного раствора и подобранной рецептуры зависит весь процесс цементирования скважины и в значительной степени — качество разобщения пластов. Качество крепления скважин при прочих равных обстоятельствах определяется свойствами цементного раствора и камня: седиментационной устойчивостью раствора, его водоотдачей, подвижностью (растекаемостью), изменением прочности структуры во времени, сроками схватывания, временем загустевания и плотностью цементного раствора, а также прочностью цементного камня и объемными изменениями. Свойства цементных растворов и камня могут быть изменены введением в них наполнителей и активных добавок и обработкой их химическими реагентами. Седиментационная устойчивость цементных растворов. Седиментация — оседание частиц дисперсной фазы в жидкости или газе под действием гравитационного поля или центробежных сил. Цементный раствор — дисперсная среда. В качестве дисперсной фазы выступает цементный порошок и добавки, дисперсной средой в свою очередь является жидкость затворения. При образовании цементного раствора только некоторая часть (примерно 1/3) жидкости затворения вступает в реакцию с сухим порошком, остальная же часть остается в виде свободной воды. Со временем твердая фаза, как имеющая большую плотность, осаждается вниз из-за воздействия сил гравитации, свободная вода, наоборот, поднимается наверх. «Максимальное количество воды, способное выделиться из цементного раствора в результате седиментации частиц цемента, называется водоотделением цементного раствора»1. 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. 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 получается при стандартных условиях. «Понижение водоотделения цементного раствора может быть обеспечено введением в него материалов — структурообразователей (бентонита, некоторых химических реагентов), повышением удельной поверхности цемента и снижением водоцементного отношения»2. Водоотдача цементного раствора. Процесс водоотделения цементного раствора при действии на него перепада давления принято называть водоотдачей (фильтратоотачей). Скорость ее в значительной мере зависит от водоцементного отношения. она обратно пропорциональна квадрату удельной поверхности, тонкости помола и количеству наполнителя. Скорость водоотдачи обратно пропорциональна вязкости жидкой фазы цементного раствора. «Водоцементное отношение (В/Ц) в любом цементном растворе непосредственно определяет физические свойства этого раствора»3. В/Ц для различных цементов имеют стандартизированные значения при цементировании скважин. Эти смеси поддерживают требуемую вязкость растворов без увеличения выделения свободной воды. При постоянной температуре и повышении перепада давления водоотдача цементного раствора увеличивается. Температура влияет на скорость водоотдачи, изменяя вязкость воды и скорость гидратации. Поэтому начальная скорость водоотдачи должна увеличиваться с повышением температуры, затем она снижается в результате роста скорости гидратации цемента. Водоотдача цементного раствора существенно зависит от перепада давления и абсолютного давления над фильтрами и под ними. При отсутствии противодавления, т. е. когда под фильтром давление равно атмосферному, водоотдача остается почти неизменной для перепадов 10, 15, 20 и 25 МПа. В результате выделения значительного количества фильтрата изменяются все важные свойства цементного раствора. «В результате дегидратации возникает мгновенное схватывание, сокращается срок загустевания, повышается вязкость, уменьшается выход раствора. За счет вытеснения фильтрата могут возникнуть водо- и/или газоперетоки внутри цементного камня»4. Наиболее эффективным методом понижения водоотдачи цементных растворов является метод одновременного введения в них глин и химических реагентов (гидроксидцелюлоза, карбоксиэтилцелюлоза, лингосулфанат и т.д). Технология приготовления тампонажных растворов с пониженной водоотдачей заключается в равномерном перемешивании цемента и глины с последующим затворением смеси водой с предварительно растворенными в ней гипаном в установленном лабораторией количестве. Т  аблица 3.1.  Таблица 3.2.Срок загустевания цементного раствора.«Сроками (временем) загустевания цементного раствора считается время с начала затворения до момента, когда раствор становится непрокачиваемым. Степень прокачиваемости оценивается по консистенции раствора»5. Запустевание раствора со временем происходит в результате гидратации компонентов клинкера под действием температуры. Загустевание цементных растворов и время его наступления зависят от ряда факторов: природа цемента оказывает весьма существенное влияние, некоторое повышение в клинкере трехкальциевого алюмината способствует резкому ускорению загустевания цементного раствора, увеличение тонкости помола цемента также приводит к ускорению загустевания раствора, а увеличение водоцементного отношения - к замедлению загустевания. Большое влияние на загустевание цементных растворов оказывают температура, давление и колебания давлений. С ростом температуры время загустевания уменьшается. Увеличение времени загустевания тампонажных растворов может быть достигнуто использованием замедлителей процессов структурообразования, качество и количество которых следует подбирать с учетом конкретных условий скважины. «К числу замедлителей могут быть отнесены ССБ, ҚМЦ, гипан, ВҚК, хромпик, Л-6 и др»6. Чем выше давление, тем короче время загустевания цементных растворов. «Давление около 100 МПа влияет весьма резко - загустевание даже химически обработанных растворов наступает быстро. В данном случае необходимо переходить на применение принципиально новых цементов (цементов на шлаковой основе и др.)»7. На кривой загустевания, получаемой с помощью консистометра, для тампонажного портландцемента, не содержащего активных минеральных добавок осадочного происхождения, наблюдаются обычно три стадии - стадия разжижения, инкубационный период и стадия интенсивного загустевания (1). Если цемент содержит более 8 % активных минеральных добавок осадочного происхождения опоки, трепелы, глиежи, то возможно появление «горба», соответствующего временному повышению консистенции (4). Повышенное содержание измельченного кварца или шлака приводит к появлению «ступеньки» (кривая 3). Цементы типа гипсоглиноземистого, структурообразование в растворах которых происходит в результате появления эттрингита и других хорошо окристаллизованных минералов, дают кривую загустевания типа 2, характеризующую быстрое начальное загустевание с последующим разжижением. Рисунок 4.1.  Типичные кривые загустевания тампонажных растворов.Срок схватывания цементного раствора. Начало и конец интервала времени, в течение которого цементный раствор превращается в камень называют началом и концом схватывания соответственно. Эти сроки зависят от химико-минералогического состава цемента, его удельной поверхности, водоцементного отношения, химических реагентов, введенных в раствор, температуры, давления и других факторов, При прочих равных условиях с повышением удельной поверхности цемента и уменьшением водоцементного отношения сроки схватывания цементного раствора ускоряются.  «Установлено, что на ускорение сроков схватывания цементных растворов температура оказывает более существенное влияние, чем давление. Ещё большее влияние оказывает совместное воздействие температур и давлений»8. Скорость схватывания, измеряемая в покое с помощью иглы Вика, может быть как выше, так и ниже скорости загустевания, измеряемой при непрерывном перемешивании в консистометре. Это зависит от типа процесса структурообразования. При преобладание кристаллизационного структурообразования загустевание при перемешивании наступает позднее, чем сроки схватывания. При преобладании коагуляционного структурообразования (за счет появления большого количества гидросиликатов кальция) загустевание наступает быстрее, чем сроки схватывания. Плотность цементного раствора Важной характеристикой тампонажного раствора является его плотность. Колебания плотности цементного раствора, связанные с изменением водоцементного отношения для одного и того же состава, говорят об изменениях других его свойств. Поэтому контроль за колебаниями плотности тампонажных растворов должен быть строгим, эти колебания не должны превышать установленной величины. «Фактическая плотность раствора зависит от плотности и концентрации сухого цемента, воды, добавок и должна быть равна требуемой, которую определяют на основании геологических характеристик пород, слагающих разрез скважины, исходя из недопущения их разрыва пород или поглощения раствора в слабые пласты»9. От величины плотности зависит также степень вытеснения бурового раствора. Часто колебания плотности недопустимы по технологическим соображениям. Колебания объясняются внесением в цементный раствор воздуха, а также непостоянством плотности цемента. На изменения значений плотности цементного раствора оказывают влияние вводимые химические реагенты. Наиболее существенно влияние реагентов типа лигносульфонатов (ССБ, СДБ), которые в количестве более 0,4% способствуют образованию пены. При приготовлении раствора вовлекается воздух, однако, когда раствор попадает в среду гидродавления, пузырьки воздуха сжимаются. Масса единицы объема раствора возрастает, что при определенных геологических условиях проводки скважины может привести к осложнениям. Растекаемость цементного раствора. «Растекаемость это условная мера подвижности или прокачиваемости свежеприготовленного раствора»10. Обусловлена она вязкостью тампонажной смеси и позволяет судить о возможности прокачивания раствора насосом через бурильные трубы, косвенно определять гидравлические сопротивления в трубах и трещинах, вероятность заполнения трещин и пор. Нормальным цементным раствором при кольматации трещин для всех цементов (кроме ПЦТ ДО и ПТЦ Д20) считается раствор с растекаемостью 18-22 ей. Если растекаемость раствора окажется менее 18 или более 22 см, то водоцементное отношение изменяют (увеличивают при m<18 и уменьшают при m>22) до указанных пределов. Определяют растекаемость на приборе "Конус АзНИИ". 2.6 Реологические свойства тампонажного раствора.Тампонажные жидкости относятся к бенгамовским жидкостям. Поэтому в гидравлических расчетах используются динамическое напряжение сдвига и пластическую вязкость. На реологию оказывают влияние водоцементное отношение, дисперсность цементного порошка, химическая обработка и температура. При увеличении дисперсности вязкость растет, а ДНС может уменьшиться. При добавке пластификаторов вязкость падает, а ДНС растет. При повышении температуры реологические константы повышаются. Необходимость изучения динамики изменения реологических свойств тампонажных систем обусловлена неоднородностью их величины во времени, что связано с процессами от момента затворения тампонажного раствора до начала загустевания и схватывания. Для регулирования реологических характеристик тампонажных растворов вводят реагенты - регуляторы реологических свойств. При назначении регуляторов реологических свойств надо учитывать, что многие из них влияют на процессы гидратационного твердения в сторону их ускорения или замедления. Фильтрационные свойства определяют седиментационную устойчивость тампонажных растворов. Знание реологических свойств тампонажного раствора необходимо для расчета гидравлической программы цементирования обсадных колонн. Основные свойства цементного камня. Цементным камнем называется пористое твердое тело, образующееся при затвердевании тампонажных цементных распоров. Разнообразные тампонажные материалы образуют цемента камни с различными свойствами, однако общим для них изменчивость свойств во времени. При затвердевании тампонажных материалов образующийся цементный камень с той или иной скоростью проходит стадии структурообразования и затем деструкции, в ходе которых все свойства цементного камня непрерывно изменяются. «Свойства цементного камня являются функцией пористости с, прочности элементов твердой фазы и контактов между ними, дисперсности и морфологии частиц твердой фазы. Пористость зависит от исходного водоцементного отношения, состава новообразований, их удельного объема и степени гидратации»11. 2.1. Прочность цементного камня.Механическая прочность тампонажного камня зависит от ряда факторов, основными из которых являются химико-минералогический состав цемента, водоцементное отношение, удельная поверхность цемента, наличие наполнителей и химических добавок и условия твердения (в основном температура). Зависимость механической прочности камня от его химико-минералогического состава начинает заметно проявляться при длительных сроках твердения. Прочность в большой степени определяется скоростью и глубиной гидратации камня. В более поздние сроки прочность цементного камня больше зависит от белитовой составлявшей цемента. Механическая прочность тампонажного камня быстрее нарастает при использовании высокой удельной поверхности. В этом случае ускоряются реакции гидролиза и гидратации. Однако беспредельно увеличивать удельную поверхность цементного порошка нельзя, так как это требует увеличения количества воды для затворения и повышает стоимость цемента. Для работы при высоких температурах и давлениях предпочтительно иметь цементы не высокой удельной поверхности, а определенного гранулометрического (зернового) состава. «Ускорители сроков схватывания цементных растворов в большинстве случаев способствуют повышению начальной механической прочности, однако с увеличением срока твердения прочность цементного камня обычно снижается несколько раньше, чем у необработанных образцов, Замедлители сроков схватывания снижают прочность цементного камня в начальные сроки твердения»12. В зависимости от условий твердения добавки могут оказывать положительное и отрицательное влияние на механическую прочность камня. При обычных условиях наполнители (содержащие 80 95% кремнезема, кварцевый песок, опоку н др.) не способствуют увеличению начальной прочности цементного камня. Глинистые материалы и смеси их с водой практически всех случаях способствуют снижению механической прочности цементного камня. Исключение составляют случаи введения в цементный раствор (или цемент) небольших количеств порошкообразной глины, которая уменьшает водоцементное отношение. Водопроницаемость цементного камня. Проницаемость цементного камня - одна из основных его характеристик. Она зависит от ряда факторов, среди которых наиболее важными являются природа цемента и наполнителей, водоцементное отношение, условия (температура, давление) и сроки твердения. Серьезное влияние оказывает химический состав вод, контактирующих с твердеющим и затвердевшим цементным раствором. «На практике водоцементное отношение растворов может изменяться в широких пределах, а оно оказывает значительное влияние на изменение проницаемости цементного камня. С его повышением увеличивается объем и количество капиллярных пор; в ходе гидратации они заполняются и гелиевой составляющей, имеющей незначительную проницаемость»13. Наиболее эффективным средством снижения проницаемости камня при высоких температурах и давлениях является введение в растворы кварцевого песка. Адгезия цементного камня. Адгезия цементного камня — сцепление образовавшегося камня со стенками скважины и внешней стенкой обсадной колонны. Плохое качество сцепления камня может привести к возникновению перетоков в затрубном пространстве обсадных колон. Сцепление твердеющего цементного камня с металлом обсадных труб и породами определяется многими факторами, среди которых главнейшими являются чистота соприкасаемых поверхностей, природа цемента, температура среды твердения, шероховатость соприкасающихся поверхностей и др. Если поверхность обсадных труб и породы покрыты буровым раствором, то сцепление труб с цементным раствором и камнем не может быть. Природа сцепления металла с цементным камнем объясняется образованием интерметаллического слоя с определенной кристаллической решеткой. Этот слой принадлежит одновременно металлу и цементному камню. Прочность этого слоя зависит от сцепления цементного камня с металлом, его природы и других факторов. Немаловажное значение при этом имеют силы трения, возникающие при обжатии металла камнем.  Применительно к условиям работы цементного кольца в скважине под сцеплением понимают одновременное действие сил, удерживающих стержень кольцом из цементного камня. Усадка и расширение цементного камня. Под действием различных факторов цементный камень может дать усадку или расширение. Различают несколько видов усадки. Физическая усадка вызывается в первую очередь испарением некоторого количества воды из твердеющего раствора и камня. Она зависит от удельной поверхности цемента, его минералогического состава, водоцементного отношения, наличия и физических свойств наполнителя, температуры и условий испарения. Усадка цементного камня не начинается, пока из него не удалена свободная вода. Химическая усадка обусловлена тем, что гидраты, образующиеся при затворении портландцемента водой, занимают меньший объем, чем сумма объемов воды и безводных соединений. Ее можно уменьшить правильным подбором минералогического состава клинкера, введением наполнителей и т. д. Термическая усадка вызывается постепенным охлаждением цементного камня при уменьшении скорости тепловыделення. Твердение цементного камня в воздушных условиях часто приводит к уменьшению объема, усадке. Водная среда способствует расширению цементного камня, которое снижается с повышением содержания в смеси инертных наполнителей. Величина разбухания камня в воде меньше усадки на воздухе припрочих равных условиях. При благоприятных условиях еще до окончания схватывания цементного раствора его объем начинает увеличиваться. Расширение цементного камня при твердении длительное время объясняется расталкивающим действием образующихся продуктов гидратации. Многолетние наблюдения за твердением цементного раствора и камня в автоклавах при высоких температурах и давлени- ях показывают, что извлечение образцов из форм, смазанных машинным маслом и находящихся в автоклавах, сопряжено с некоторыми трудностями, что указывает на расширение цементного камня. Контроль за усадкой и расширение цементного камня в процессе затвердения небходимо. Так как в следтствие это может произойти разрушение обсадных колонн и нарушение герметичности цеменитрования. Заключение.Качество цементирования чрезвычайно важно при строительстве скважин. Некачественное цементирования часто становиться причиной множества аварий. Определяющую роль в процессе цементирования играют свойства тампонажных растворов и цементного камня. Именно поэтому видеться строгий контроль качества используемых материалов. Контроль свойств цементного раствора осуществляется за счет химических добавок. Свойства цементного раствора и камня зависят от многочисленных факторов, основными из которых являются химико-минералогический состав, качество и количество наполнителей, водоцементное отношение, количество и природа химических наполнителей, температура, давление и т.д. Знание свойств и способ их регулирование является необходимым для успешного и качественного цементирования скважин. Список использованной литературы.Данюшевский В.С., Алиев Р. М., Толстых И. Ф. Справочное руководство по тампонажным материалам. — 2 изд., — М: Недра, 1987. Булатов А.И. Тампонажные материалы и технология цементирования скважин: Учеб. Для техникумов. — 4 изд., — М: Недра, 1991. Шуть К.Ф. Крепление скважин: Учебное пособие. — М.: Издательский центр РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, 2016. Булатов А.И. Технология цементирования нефтяных и газовых скважин. Монография. — М: Недра, 1983. 1 Булатов А.И. Тампонажные материалы и технология цементирования скважин: Учеб. Для техникумов. — 4 изд., — М: Недра, 1991. — стр. 114 2 Булатов А.И. Тампонажные материалы и технология цементирования скважин: Учеб. Для техникумов. — 4 изд., — М: Недра, 1991. — стр. 145 3 Шуть К.Ф. Крепление скважин: Учебное пособие. — М.: Издательский центр РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, 2016. — стр. 75 4 Данюшевский В.С., Алиев Р. М., Толстых И. Ф. Справочное руководство по тампонажным материалам. — 2 изд., — М: Недра, 1987. — стр. 50 5 Шуть К.Ф. Крепление скважин: Учебное пособие. — М.: Издательский центр РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, 2016. — стр. 92 6 Булатов А.И. Тампонажные материалы и технология цементирования скважин: Учеб. Для техникумов. — 4 изд., — М: Недра, 1991. — стр. 146 7 Данюшевский В.С., Алиев Р. М., Толстых И. Ф. Справочное руководство по тампонажным материалам. — 2 изд., — М: Недра, 1987. — стр. 54 8 Булатов А.И. Технология цементирования нефтяных и газовых скважин. Монография. — М: Недра, 1983. — 135 с.9 Данюшевский В.С., Алиев Р. М., Толстых И. Ф. Справочное руководство по тампонажным материалам. — 2 изд., — М: Недра, 1987. — стр. 60 10 Шуть К.Ф. Крепление скважин: Учебное пособие. — М.: Издательский центр РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, 2016. — стр. 56 11 Данюшевский В.С., Алиев Р. М., Толстых И. Ф. Справочное руководство по тампонажным материалам. — 2 изд., — М: Недра, 1987. — стр. 64 12 Булатов А.И. Тампонажные материалы и технология цементирования скважин: Учеб. Для техникумов. — 4 изд., — М: Недра, 1991. — стр. 149 13 Данюшевский В.С., Алиев Р. М., Толстых И. Ф. Справочное руководство по тампонажным материалам. — 2 изд., — М: Недра, 1987. — стр. 66 |