Томск2013 г. Курс лекций Лекция 6 Тема 1 Тампонажные растворы 2 Лекция 6 Тема 1. 1 Общие понятия о тампонажных
 Скачать 1.84 Mb.
|
|
Тема №1.5 Физико-химические основы регулирования свойств ТР и ТК 24 Лекция №6 Сущность процессов протекающих в ТР и ТК 25 Лекция №6 От момента смешения ПЦТ с ЖЗ (водой) и до момента образования ТК в рассматриваемой системе последовательно протекают следующие взаимосвязанные процессы: Тампонажные цементы 26 Лекция №6 Степень дисперсности ТЦ Повышение степени дисперсности ТЦ приводит к увеличению поверхности реакции гидратации, а следовательно, и ее скорости. Приближенно можно принять, что скорость гидратации прямо пропорциональна величине удельной поверхности ТЦ . В/Ц При значениях В/Ц, наиболее часто используемых в практике тампонирования скважин (0,45…0,55), его влияние на скорость гидратации не очень существенно. В принципе же, скорость гидратации с ростом В/Ц увеличивается. При высоких значениях В/Ц период интенсивной гидратации идет быстро, затем замедляется. При низком В/Ц процесс интенсивной гидратации растянут во времени. С ростом температуры до 70…90 ºС эти отличия выражены уже менее четко. С увеличением В/Ц: снижается способность ТР к затвердеванию, поэтому В/Ц 1 характерно только для ТР, содержащих облегчающие добавки, способные связывать большое количество воды; снижается седиментационная устойчивость ТР; растет показатель фильтрации ТР. С уменьшением значений В/Ц до 0,3: ТР невозможно транспортировать в заколонное пространство, так как он превращается в пасту. При В/Ц 0,6: в структуре ТК образуется система взаимосвязанных капиллярных и более крупных пор, т.е. с ростом В/Ц повышается пористость, проницаемость ТК и снижается его прочность. Тампонажные цементы 27 Лекция №6 Давление С повышением давления скорость гидратации увеличивается . Так, известно, что с ростом давления от атмосферного до 50…60 МПа сроки схватывания сокращаются примерно вдвое. Температура Скорость растворения поверхности клинкерных минералов (скорость гидратации) возрастает с ростом температуры экспоненциально, т.е. температура является главным фактором, определяющим скорость схватывания и твердения ТР . При тампонировании глубоких скважин большинство из рассмотренных выше факторов являются практически фиксированными, т.е. не зависящими от исполнителей. Так, температура и давление в скважине определяются соответствующими градиентами (геотермическим и геостатическим), характерными для конкретного месторождения, а минералогический состав и степень дисперсности ТЦ – технологией его изготовления. Именно поэтому для регулирования скорости гидратации (скорости схватывания и твердения) широко используют химические реагенты – УС и ЗС. Структурообразование Как отмечалось выше, новообразования, возникающие в ТР, концентрируются вокруг зерен ПЦТ, образуя тем самым тонкопористую массу – цементный гель. Схватывание По мере роста кристаллов новообразований прочность коагуляционной структуры повышается, увеличивается число связей и возникает непосредственная связь (а не через гидратные оболочки) между частицами, все больше и больше появляется контактов срастания новообразований, увеличивается площадь таких контактов, преобладающее влияние в системе приобретают прочные химические связи. Твердение Происходит окончательное формирование кристаллизационной структуры, имеющей высокую механическую прочность и упруго-хрупкие свойства. Разрушение связей между частицами таких структур необратимо. Тампонажные цементы 28 Лекция №6 Тема №1.6 Регулирование свойств ТР и ТК с помощью химических реагентов 29 Лекция №6 Регулирование свойств ТР и ТК с помощью химических реагентов 30 Лекция №6 Ускорители схватывания и твердения ТР (УС) Назначение: сокращение времени ОЗЦ. Область применения: тампонирование скважин в верхних частях разреза (при невысоких температурах); ликвидация поглощений бурового раствора; закрепление неустойчивых горных пород в околоствольном пространстве скважин. В качестве УС чаще всего используют электролиты – вещества, которые в водных растворах диссоциируют на анионы и катионы. Ускорение сроков схватывания ТР, вызываемое электролитами , в основном обусловлено следующими факторами: интенсификацией растворимости поверхности клинкерных минералов (ускорение процесса гидратации и процесса появления новообразований); образованием новых центров кристаллизации ( увеличением числа зародышей новой фазы ); коагулирующим воздействием вводимых ионов , что ускоряет процесс структурообразования (уменьшается толщина гидратных оболочек на поверхностях цементных зерен и элементарных пакетов тоберморита). Краткая характеристика наиболее широко используемых УС 31 Лекция №6 Название Химическая формула Т, ºС Добавка, % (от массы цемента) Хлорид кальция CaCl 2 0…100 2 - 10…0 2…8 Хлорид натрия NaCl 0…8 2 - 10…0 1…4 Углекислый калий K 2 CO 3 0…150 0,5…2 - 10…0 2…5 Углекислый натрий Na 2 CO 3 0…130 1…5 Сернокислый натрий Na 2 SO 4 0…75 1…6 Гидроксид натрия NaOH - 5…50 0,3…0,8 Кремнекислый натрий Na 2 · nSiO 2 0…75 5…15 Кроме перечисленных выше основных реагентов, в качестве УС могут использоваться: FeCl 2 , AlCl 3 , KCl, Al 2 SO 4 , MgCl 2 , K 2 SO 4 , нитрит*- нитрат**- кальция (ННК), мочевина (карбамид), нитрит- нитрат- хлорид кальция с мочевиной (ННХКиМ), нитрит- нитрат- сульфата натрия (ННСН), нитрат натрия (НН), нитрит кальция (НК), нитрит- нитрат- хлорид кальция (ННХК), нитрат кальция с мочевиной (НКМ) и др. Регулирование свойств ТР и ТК с помощью химических реагентов Замедлители схватывания и твердения ТР (ЗС) Назначение: обеспечение возможности выполнения всех технологических операций по доставке ТР в заданный интервал при высоких забойных температурах в скважинах ( 100 ºС). Механизм действия замедлителей схватывания заключается в образовании вокруг зерен цемента и элементарных пакетов новообразований защитных слоев или оболочек, которые препятствуют контактированию их друг с другом и с водой (снижается скорость гидратации и прочность коагуляционной структуры). Защитные слои на поверхности зерен цемента и новообразований могут существовать в одном из следующих видов : в виде экранирующих поверхности клинкерных минералов и новообразований вязких слоев , которые образуются при обработке ТР полисахаридами (КМЦ, декстрин и др.), акриловыми полимерами (гипан, ПАА), лигносульфонатами (КССБ, сульфитно-дрожжевая бражка - СДБ, ПФЛХ,ФХЛС, окзил), реагентами на основе гидролизного лигнина (НЛГ, сунил); в виде практически непроницаемых мембран , образующихся в результате взаимодействия химических реагентов (борная кислота – H 3 BO 3 , синтетическая винная кислота – СВК и др.) с реакционно-способными атомами кристаллической решетки клинкерных минералов и продуктов их гидратации. В последние годы в качестве ЗС широко используют и НТФ. 32 Лекция №6 Регулирование свойств ТР и ТК с помощью химических реагентов 33 Лекция №6 Название Т, ºС Добавка, % (от массы цемента) Побочное действие СДБ 50 0,1…0,2 пластификация ТР 50 0,2…0,6 при добавке 0,5 % вызывает вспенивание ТР и снижение прочности ТК КССБ 200 0,1…7 пластификация, вспенивание и снижение фильтрации ТР Окзил 200 0,1…3 то же ПФЛХ 100 0,1…1,5 пластификация и вспенивание ТР гипан 160 0,1…1 сильно снижает фильтрацию ТР КМЦ 130 0,2…2 то же сунил 150 0,2…1 пластификация и снижение фильтрации ТР H 3 BO 3 130 0,08…0,25 повышает прочность ТК СВК 150 0,05…0,5 Краткая характеристика основных ЗС (добавка возрастает с ростом температуры) Регулирование свойств ТР и ТК с помощью химических реагентов 34 Лекция №6 Кроме перечисленных выше основных ЗС могут использоваться и другие: триоксиглутаровая кислота (ТОГК); малеиновый ангидрит (МА); Л-7; нейтрализованный черный контакт (НЧК); поливинилацетатная эмульсия; фурфурол; гексаметафосфат натрия . По степени замедления схватывания все перечисленные химические реагенты можно разделить на 4 группы : средней степени замедления схватывания – полисахариды, акриловые полимеры, реагенты на основе гидролизного лигнина; выше средней степени замедления схватывания – лигносульфонаты, бораты (H 3 BO 3 ), фосфаты; высокой степени замедления схватывания – СВК, ТОГК; очень высокой степени замедления схватывания – НТФ, оксиэтилендифосфоновая кислота (ОЭДФ). Регулирование свойств ТР и ТК с помощью химических реагентов 35 Лекция №6 Регулирование свойств ТР и ТК с помощью химических реагентов Пластификаторы (разжижители) ТР (ПЛ) Назначение: снижение пластической вязкости, динамического и статического напряжения сдвига и, соответственно, гидродинамического давления в процессе тампонирования. Особенно актуально : при узких кольцевых зазорах между обсадными трубами и стенками скважины; при больших глубинах скважин; при высоких скоростях восходящего потока ТР (необходимы для обеспечения высокой степени замещения бурового раствора тампонажным). Механизм действия пластификаторов : блокирование активных центров на краях зерен цемента и ребрах элементарных пакетов новообразований. Это препятствует сцеплению или ослабляет силы сцепления их друг с другом и тем самым тормозит процесс структурообразования или значительно снижает прочность коагуляционной структуры, а соответственно, пластическую вязкость и динамическое напряжение сдвига. Повышение подвижности ТР, как правило, сопровождается замедлением его схватывания. В этой связи в качестве пластификаторов используют многие из ЗС, в частности, акриловые полимеры, лигносульфонаты, реагенты на основе гидролизного лигнина, НТФ (Т = 75…100ºС, рекомендуемая добавка 0,01…0,05 % от массы цемента). Кроме них есть и специально выпускаемые пластификаторы. 36 Лекция №6 Марка Название Внешний вид Т, ºС Добавка, % (от массы цемента) Побочное действие С-3 суперпластификатор жидкость бурого цвета или мелкодисперсный порошок желтого цвета 50 0,3…0,8 10-03 суперпластификатор жидкость бурого цвета 50 0,3…0,6 ПАЩ пластификатор адипиновый жидкость бурого цвета 75 0,1…1 ЦНИПС-1 пластификатор древесно-пековый паста 75 0,05…0,1 сильное вспенивание ВЛХК пластификатор (смола омыленная водорастворимая) паста 100 0,1…0,3 вспенивание СПД синтетическая поверхностно- активная добавка жидкость 100 0,2…0,3 вспенивание Краткие сведения о специальных пластификаторах Возможности использования С-3, 10-03, ПАЩ и ЦНИПС-1 при высоких температурах не исследованы. Регулирование свойств ТР и ТК с помощью химических реагентов Понизители фильтрации ТР (ПФ) Назначение: снижение объема фильтрата, поступающего в высокопроницаемые пласты, в том числе продуктивные. Во-первых , предотвращается преждевременное загустевание и неравномерное схватывание ТР, зачастую являющиеся основной причиной недоподъема его на расчетную высоту. Во-вторых , уменьшается обводнение продуктивных горизонтов, вызывающее затруднения с освоением скважин и снижение нефтегазоотдачи. Механизм действия ПФ: увеличение содержания в ТР связанной воды; повышение вязкости дисперсионной среды; снижение проницаемости приствольной зоны скважины (за счет образования внутренней фильтрационной корки). Для снижения показателя фильтрации ТР в основном используют бентонит (Т 200 ºС, добавка 10…25 % от массы цемента) или полимеры, в частности: полисахариды: КМЦ (Т = 75…160 ºС, добавка 10…25 % от массы цемента); МК (Т 150 ºС, добавка 0,2…1,5 % от массы цемента); МЦ (Т 60 ºС, добавка 0,1…1,0 % от массы цемента). акриловые полимеры: гипан (Т = 75…160 ºС, добавка 0,1…1,5 % от массы цемента); ПАА (Т 100 ºС, добавка 0,2…0,5 % от массы цемента); метас (Т 75 ºС, добавка 0,2…2,0 % от массы цемента). модифицированные лигносульфонаты: КССБ (Т = 75…130 ºС, добавка 1…2 % от массы цемента); окзил (Т 130 ºС, добавка 0,1…3 % от массы цемента); ПФЛХ (Т 75 ºС, добавка 0,1 …1,5 % от массы цемента). Критерий выбора химического реагента – понизителя фильтрации ТР – наибольшая вязкость 1%- го водного раствора. 37 Лекция №6 Регулирование свойств ТР и ТК с помощью химических реагентов 38 Лекция №6 Регулирование свойств ТР и ТК с помощью химических реагентов Влияние химических реагентов на свойства ТК Замедлители схватывания, пластификаторы и понизители фильтрации , независимо от их химического состава, при добавках 0,1…0,3 % (на сухое вещество) от массы цемента вызывают повышение прочности ( изг ) образцов тампонажного камня 7…360 суточного возраста. Повышение концентрации этих реагентов до 0,5…1 % снижает изг ТК до величины, соответствующей изг ТК из химически необработанного ТР. С ростом концентрации в ТР реагентов этих групп проницаемость ТК неуклонно снижается . При концентрации примерно равной 1 % образцы ТК 84 - суточного возраста становятся практически непроницаемыми. Действие реагентов – ускорителей схватывания на свойства ТК не столь однозначно. Так, повышение в ТР концентрации NaCl до 5 % вызывает неуклонный рост изг ТК, а CaCl 2 , наоборот, снижает изг ТК, но при концентрациях до 2 % - незначительно. Оба эти реагента с повышением их концентрации в ТР снижают проницаемость ТК. Добавки Na 2 CO 3 в количестве 1…2 % обеспечивают получение ТК достаточно высокой прочности и низкой проницаемости, дальнейшее же повышение концентрации этого реагента приводит к замедлению скорости твердения ТР. 39 Лекция №6 Контроль качества тампонажных цемента (ТЦ), раствора (ТР) и камня (ТК) Виды контроля входной контроль качества ТЦ ; контроль при хранении ТЦ; контроль при подборе ( разработке ) рецептуры ТР; контроль при приготовлении ТР на буровой. Входной контроль и контроль при хранении ТЦ осуществляется сотрудниками лабораторий баз УПТОК или тампонажных контор, контроль при подборе (разработке) рецептур ТР – сотрудниками лабораторий буровых и тампонажных растворов буровых предприятий. Входной контроль качества ТЦ Входной контроль качества ТЦ производится при поступлении ТЦ на базу УПТОК или базу тампонажной конторы. При входном контроле измерению подлежат все параметры, нормируемые ГОСТ (ОСТ, ТУ) на ТЦ данной марки. Параметрами, измеряемыми при входном контроле, как правило, являются следующие: тонкость помола ТЦ; удельная поверхность ТЦ (реже); плотность и растекаемость ТР при заданном В/Ц; время загустевания ТР; сроки схватывания ТР при заданном ГОСТ (ОСТ,ТУ) режиме испытаний (Т, ºС; р, МПа); изг (реже сж ) образцов ТК при заданных ГОСТ (ОСТ, ТУ) режиме (Т, ºС; р, МПа) и продолжительности их хранения. 40 Лекция №6 Контроль качества тампонажных цемента (ТЦ), раствора (ТР) и камня (ТК) 41 Лекция №6 Тонкость помола ТЦ Стандарты и технические условия на ТЦ обычно характеризуют тонкость помола относительным содержанием двух фракций, разделенных путем просеивания через сито с размером отверстий равным 0,08 мм (сито № 008 по ГОСТ 3584-73). При этом в большинстве стандартов требуется, чтобы массовая доля цемента, прошедшего через это сито, составляла не менее 85 %. Масса остатка, характеризующая тонкость помола ТЦ, выражается в процентах от величины исходной навески с точностью до 0,1 %. Тонкость помола рассчитывается как среднее арифметическое результатов двух ситовых анализов, данные которых отличаются друг от друга не более чем на 0,2 %. Удельная поверхность ТЦ Удельная поверхность ТЦ – это суммарная поверхность его частиц в 1 г порошка. Для определения удельной поверхности наиболее часто пользуются методом воздухопроницаемости , который основан на измерении сопротивления, оказываемого слоем уплотненного ТЦ просасываемому через него воздуху. Контроль качества тампонажных цемента (ТЦ), раствора (ТР) и камня (ТК) Прибор для определения удельной поверхности ТЦ 1- U - образная стеклянная трубка (манометр-респиратор); 2 – резиновая груша; 3 – плунжер; 4 – кювета. 42 Лекция №6 Удельная поверхность ТЦ (S уд ) : S уд = (K M T) / m, где S уд - удельная поверхность ТЦ, см 2 /г; К - значение постоянной прибора (определяется экспериментальным путем) для той пары рисок, между которыми измерялось время опускания уровня жидкости: при высокой степени дисперсности - риски 1 и 2, при низкой - 3 и 4; Т - время опускания уровня жидкости между двумя рисками, с; m - масса навески, г. M = 14 / L ( L - m / ) 3/2 (1 / ) 0,5 , где - площадь поперечного сечения слоя ТЦ в кювете, см 2 ; L - высота слоя цемента в кювете, см; - вязкость воздуха при температуре опыта, дПа с. = (184,84 10 -12 t + 28,964 10 -9 ) 0,5 , где t - температура воздуха во время проведения опытов, ºС. Удельная поверхность вычисляется как среднее арифметическое результатов двух определений, отличающихся друг от друга не более чем на 200 см 2 /г. Расчет ведут с точностью до 10 см 2 /г. Контроль качества тампонажных цемента (ТЦ), раствора (ТР) и камня (ТК) 43 Лекция №6 Плотность ТР Плотность ТР определяют с помощью ареометра АБР-1, который состоит из съемного груза 1, полиэтиленовой заглушки 2, металлического балласта 3, мерного стакана 4, крышки 5 и донышка 6 поплавка, стержня 7 с нанесенными на нем основной и поправочной шкалами, пробки 8 и ведра 9. Растекаемость ТР Растекаемость ТР определяется с помощью конуса АзНИИ (КР-1 по ТУ 25-04-52-75), собственно конус которого имеет строго определенные размеры. Контроль качества тампонажных цемента (ТЦ), раствора (ТР) и камня (ТК) 44 Лекция №6 Сроки схватывания ТР определяют с помощью прибора ВИКА путем периодического измерения глубины погружения в твердеющий ТР иглы определенного сечения под действием груза определенной массы. Прибор состоит из призматического металлического стержня 1, свободно перемещающегося в вертикальной обойме станины 2. Для закрепления стержня на желаемой высоте служит зажимной винт 3. В нижнюю часть стержня ввинчивается стальная игла 4 диаметром 1,1 мм и длиной 50 мм. Верхняя 5 |