Модифицирующие добавки

ЛЕКЦИЯ 10. Модифицирующие добавки Используются для приведения свойств тампонажных растворов в соответствие с условиями бурения. Модифицирующие добавки бывают: 1. Инертные - не происходит получение новообразований при взаимодействии с водой и компонентами цемента (наполнители, регуляторы плотности, армирующие добавки); 2. Активные – при их вводе происходят физико-химические реакции с образованием новых соединений: - регуляторы сроков схватывания - регуляторы реологических свойств (пластификаторы) - регуляторы водоотдачи Инертные добавки : I. Регуляторы плотности Приводят в соответствие плотность тампонажных растворов с пластовым давлением и давлением поглощения ,что способствует устранению выбросов флюидов или поглощений : Вяжущие вещества имеют различную плотность : Вещество Плотность г/см3 портланд цемент 3,1 - 3,2 Шлако-портланд-цемент 2,9 - 3,1 Гипс 2,2 - 2,4 Известь 2,3 - 2,5 а) Облегчающие добавки : имеют плотность ниже плотности вяжущего вещества (цемента и др. материалов) Минеральные добавки: Вещество Плотность г/см3 Кварцевый песок 2,5 - 2,6 Известняк 2,3 - 2,4 Пепел 2,4 - 2,5 Диатомит, трепелы 2,0 - 2,1 Органические вещества: Вещество Плотность г/см3 Каменный уголь 1,2 - 1,5 Кокс 1,3 - 1,4 Битумы 1,25 - 1,35 Каменноугольный пек 1,2 - 1,3 б) Утяжеляющие добавки: Вводятся для увеличения плотности тампонажных растворов,и вводятся в их состав в тонкодисперсном состоянии6 Вещество Плотность г/см3 Магнетитовые пески 3,9 – 4,2 Пиритные огарки 4,3 – 4,4 Гематит 4,9 – 5,2 Магнетит 5,0 – 5,3 в) Армирующие добавки: увеличивают прочность затвердевшего цементного камня в условиях динамических циклических нагрузок. В качестве армирующих добавок применяют следующие материалы : Искусственного происхождения: - нейлон; - полипропилен; - полиэтилен; - волластонит (образуется при получении клинкер цемента). Минеральные добавки: - шлам горных пород; - кварцевый песок; - асбест; Органического происхождения: - отходы хлопкового производства; - отходы льняного производства; - древесные волокна. Наполнители вводятся в тампонажный раствор с целью уменьшения проницаемости пористых, трещиноватых коллекторов, а так же для снижения интенсивности поглощений промывочных растворов и тампонажных смесей. Концентрация может достигать 30-50 кг/м3. Выделяют две разновидности наполнителей: 1) хлопьевидные наполнители (обрезки тканей, пленок, бумаги); 2) зернистые наполнители (шлам горных пород, отходы различных производств). Активные добавки При вводе в тампонажный раствор образуют новые соединения (новообразования). Классификация активных добавок в зависимости от механизма их действия: 1. Физико-химического действия: а) электролиты, при добавлении не образуют новых соединений, но увеличивают химическую активность вяжущего вещества за счет повышения ионной силы раствора: - не имеющие одноименный катион (NaCl → Na+ + Cl-); - имеющие одноименный катион (Ca(OH)2 → Ca++) Эти добавки являются ускорителями схватывания цементных растворов за счет увеличения ионной силы раствора-жидкости затворения. б) Поверхностно-активные вещества, которые способны абсорбироваться на границе раздела твердое – жидкость (замедлители реакции гидратации); в) Вещества являющиеся дополнительными центрами кристаллизации (известняк CaCO3; гашеная известь Ca(OH)2 –применяют в тонкоизмельченном виде). Являются ускорителями схватывания тк создают дополнительные центры кристаллизации за счет поступающих в раствор катионов кальция из состава вводимых веществ ; такие вещества являются ускорителями схватывания цементных равстворов. г) Вещества, создающие пространственно-структурную сетку-они создают дополнительные центры кристаллизации –это глинистые минералы содержащие в своем составе оксиды кремния,железа,алюминия. Создание дополнительных центров кристаллизации при вводе таких веществ в состав раствора способствует ускорению процесса твердения цементного раствора. 2. Химического действие: а) Вещества вводимые при помоле (CaSO4*2H2O – гипс; Ca(OH)2 - известь); такие вещества выступают в роли ускорителей схватывания. б) Вещества, вступающие в обменные реакции (Na2CO3 → Na++CO3-2 NaNO3), такие вещества являются замедлителями схватывания цементных растворов тк обменные химические реакции с компонентами цемента в растворе замедляет реакции гидратации при синтезе цементного камня. Классификация активных добавок по назначению: а) Ускорители схватывания: CaCl2, NaCl, CaCl2, FeCl3, , гидроокись кальция, гидроокись калия, жидкое стекло ,виннокаменная кислота ВКК и др.; Такие вещества ,как было отмечено выше,способствуют при их введении в состав тампонажных трастворов усилению ионной силы раствора электролитов и образованию дополнительных центров кристаллизации ,а значит ,способствуют ускорению реакций гидратации цемента и уменьшению сроков схватывания цементного раствора. б) Замедлители схватывания - замедляют реакции гидратации. Сульфит-дрожжевая бражка СДБ ,ССБ, КССБ, ГИПАН, ГПАА, КМЦ, синтетические дубители; Макромолекулы таких органических по природе веществ обладают хорошей адсорбирующей способностью с поверхностью центров кристаллизации ,поглощаются ими и препятствуют своевременному взаимодействию молекул воды и частиц цементного вещества что в результате способствует замедлению реакций гидратации их и ,как следствие,замедлению сроков схватывания цементного раствора . в) Пластификаторы - снижают реологические свойства тем самым снижая гидравлические сопротивления при прокачивании тампонажных растворов. Вводятся с целью применения необходимого способа доставки тампонажного раствора в интервалы тампонирования при значительных глубинах,когда требуется преодолевать большие гидравлические сопротивления. Макромолекулы таких пластификаторов адсорбируются поверхностью центров кристаллизации и временно препятствуют их взаимодействию с молекулами воды и гидратации до момента доставки тампонажного раствора в интервал тампонирования .Ослабление сил взаимодействия между молекулами воды и активными компонентами вяжущего вещества цемента при вводе в состав раствора пластификаторов приводит к снижению сопротивлений при прокачивании тампонажных растворов. г). Понизители водоотдачи При их вводе повышается водоудерживающая способность тампонажных растворов ,что способствует протеканию более глубоких реакций гидратации компонентов цемента –в роли понизителей водоотдачи выступают поверхностно-активные вещества - ПАВ, глины, ГПАА, высокомолекулярные вещества-эти вещества обладают хорошими гидрофильными свойствами и поэтому удерживают в составе растворов молекулы воды ,необходимые для гидратации цементов и получения прочного цементного камня. Причины поглощения при бурении: поглощение - процесс, связанный с перетоком из скважины промывочной жидкости и тампонажного раствора , при котором все их компоненты уходят в пласт. Но при фильтрации происходит отделение жидкой фазы из состава тампонажного раствора или промывочной джидкости. Процесс поглощения можно изобразить графически как действие двух сообщающихся сосудов: Рис.28. Схема уровней жидкостей при возникновении поглощения. Условия поглощения: – гидростатическое давление; - пластовое давление. Поэтому условие поглощения можно записать в виде неравенства : ρсghc>ρnghn где: ρс - плотность жидкости; hc- высота столба жидкости; ρn- плотность пластовой жидкости; hn- высота столба пластовой жидкости. Расчетные характеристики: Vc -скорость снижения уровня жидкости в скважине; tc- время снижения уровня жидкости в скважине Vc= (38) Где : Q - дебит поглощения: Qc = VcSф Sф - площадь поверхности фильтрации Sф = Dсho (39) Тогда: Qc= (40) При равенстве гидростатического давления и пластового: ρсghc = ρnghn Преобразуем: hc = Qc= Окончательно получим: Qc= (41) Где: Qc– дебит поглощения, характеризует поглощающую способность пород интервала поглощения. Определяется через оперативно измеряемые параметры и используется для выбора вида, состава тампонажного раствора, его свойств , оценки раскрытия трещин, выбора способа тампонирования и способа доставки тампонажного раствора в интервал тампонирования.