Свойства тампонажных смесей

ЛЕКЦИЯ 8. Свойства тампонажных смесей Определяются параметрами ТС, которые зависят от следующих факторов: 1) Минералогический состав ГП, применительно к которым подбираются основные виды ТС и их свойства; 2) Качество, количество наполнительный входящих в состав ТС илив водимые при помоле или при затворении; 3) Водоцементное отношение; 4) Вид и количество добавок, вводимых в состав ТС; 5) Режим перемешивания; 6) Температура и давление. 1) Подвижность. Свойство, которое определяет способность ТС создавать гидравлические сопротивления при прокачивании, способность заполнять каналы, пустоты, трещины тампонируемого горизонта. Рис.18. Схема к пояснению подвижности тампонажного раствора Радиус контура растекания зависит от статического напряжения сдвига, характеризующего подвижность тампонажной смеси. Рис.19. Схема элементов прибора конуса растекания КР-1 1-диск с делением для определения диаметра растекания; 2-конус; 3-утяжелитель; 4-тампонажный раствор. (28) Растекаемость тампонажной смеси: Р=, см (29) Если Р ≥ (16÷18) см – то достигается удовлетворительная всасываемость насосом,можно такой раствор перекачивать с помощью насоса. Регулировать растекаемость Р можно изменением водоцементого отношением и компонентами, вводимыми в состав раствора. 2) Водоудерживающая способность. Это способность ТС удерживать воду в своем составе, которая необходима для гидратации минералов, входящих в состав цемента. Для цементной ТС надо стремиться к увеличению водоудерживающей способности, т.е. к уменьшению водоотдачи, что необходимо для эффективности протекания гидратации минералов цемента. Другие ТС (глинистые, гельцементные) сохраняют свои свойства затвердевания или потерю подвижности при уменьшенном количестве воды в их составе, то есть должно происходить увеличение водоотдачи или уменьшение водоудерживающей способности, что гарантирует при попадании такой смеси в трещины мгновенное отделение воды и потерю подвижности ТС, что будет являться основным условием создания непроницаемой перегородки. Водоотдача –способность тампонажного раствора отделять жидкость затворения –воду,и она бывает: a. Абсолютная если она меньше или равна 40 см3 за 30 минут. (Водоотдача, при которой объем отфильтрованной жидкости ≤40см3 за 30 минут) b. Условная водоотдача, которая могла бы быть получена за 30 минут при условии, что ее величина больше 40 см3. Вводится этот параметр в том случае, когда водоудерживающая способность невелика, Можно составить пропорции : т.е . Вусл ----- a ≥ 40 см3 в соответствии с принятой моделью фильтрации ------ a, приt<30 мин Где: - объем фильтрата за время t; меньше чем 30 мин а – коэффициент, зависящий от параметров прибора ВМ 6 t – время за которое определяется объем фильтра Тогда справедливо отношение: = (30) Откуда: = В ·, см3 (31) Справедливо уравнение при водоотдаче B30 > 40 см3 те величина водоотдачи больше объема жидкой фазы прибора ВМ-6. Для цементных тампонажных растворов условная водоотдача составляет 100 и более см3 ,поэтом для ее уменьшения необходимо: -вводить в состав ТС минеральные добавки, удерживающие воду (ввод бентонита и др.) - вводить в состав цементных ТС полимерные реагенты- гидрофильные вещества, которые активно взаимодействуют с молекулами воды удерживая и в растворе и способствуя гидратации компонентов цемента. СЕДИМЕНТАЦИОННАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ - устойчивость против оседания частиц дисперсной фазы, за счёт чего может происходить расслоение раствора. Если расслоения нет, то это седиментационно устойчивая смесь-тампонажный раствор. Рис.20. Схема измерения седиментационной устойчивости тампонажного раствора где : V1–первоначальный объем тампонажной смеси; V2– объем осадка через 3 часа. Кв- коэффициент водоотдачи определяется по формуле: Кв= 100%<2,5 % (32) При этом условии смесь ситается седиментационно устойчивой. 3) Сроки схватывания –позволяют определить время начала и кончания схватывания. Определяют при помощи прибора ВИКа,который состоит из штатива ,на котором имеется обойма длдя размещения подвижной системы: цилиндра и закрепленной в нем иглы:это позволяет с помощью фиксатора периодически сбрасывать цилиндр с иглой из соприкосновения с поверхностью тампонажной смеси и определять по мерной шкале глубину внедрения этой иглы в поверхность тампонажного раствора: Рис.21. К определению сроков схватывания Время от момента затворения, до того момента, когда игла не доходит до дна конического стакана на 1мм, это и есть время начала схватывания – время начала образования коагуляционных структур. Они усиливают сопротивление проникновению иглы. Это структура тиксотропная (т.е. их можно разрушить)– Нсхв. И при этом прочность затвердевшего камня не будет уименьшаться. При достижении времени начала схватывания тампонажную смесь можно перекачивать. Время от начала затворения до погружения иглы на 1 мм в порверхность тампонажного раствора– время окончания схватывания в минутах - Ксхв. Время характеризует начало образования кристаллизационных структур, образованных продуктами гидратации компонентов цемента. Гидратные образования создают необходимую кристаллическую структуру. Сопротивления возрастают и игла погружается на 1 мм. При достижении времени окончания схватывания тампонажную смесь нельзя перекачивать, так как разрушенные кристаллизационные структуры не восстанавливаются, поэтому впоследствии затвердевающий камень будет иметь непрочную структуру. При достижении времени окончания схватывания возникают в структуре твердеющего камня соединения :С3А и С4АF. C3A – 3 CаО*АL2O3, С4А F- это 4 СаО Al2O3 Fe2O3 . 5) Пластическая прочность -параметр, который характеризует сопротивление при внедрении штампа конусообразной формы при вязкопластичном разрушении структуры тампонажного раствора.Конический штамп навинчивается вместо иглы на цилиндр прибора Вика: Рис.22. Схема конического штампа α- угол при вершине конуса; α- 30о, 40о, 60о, 90о hk – высота конуса h – глубина внедрения конуса в тампонажную смесь, должна соответствовать условию (33) Если: h= (34) G – вес подвижной системы прибора (конус+цилиндр), H Pm – пластическая прочность структуры тампонажного раствора, Па Тогда: Pm= → Pm=kα (35) kα– коэффициент учитывающий форму конуса Kα = cos2α/2 ctgα/2 (36) Рис.23. Зависимость глубины внедрения конического штампа в тапонажный раствор от времени. При этом графике можно определить значения параметров : Рм– предельная пластическая прочность Тст – время стабилизации (В тампонажной смеси образуется кристаллизационная структура, поэтому нельзя перемешивать и перекачивать ее после достижения времени стабилизации) Тст используется для определения предельной глубины тампонирования: Если исходя из свойств тампонажного раствора и параметров насосного оборудования можно записать уравнение для определения величины критического значения статического напряжения сдвига тампонажного раствора : (37) – критическое значение статического напряжения сдвига – max давление, развиваемое насосом d – внутренний диаметр бурильной трубы, по которой закачивается тампонажная смесь L – глубина скважины на которую закачивается тампонажная смесь → Pm предельная прочность тампонажного раствора– егосвойство Рис.24. Зависимость предельной плшастической прочности от предельной глцбины тампонирования При нанесении на график зависимости величины можно определить предельную глубину тампонирования с использованием тампонажной смеси, обладающей величиной предельной пластической прочности - . 6) Водоцементное отношение Рост величины А сопровожлается увеличением сроков схватывания : Рис.25. Зависимость сроков схватывания от водоцементного отношение 7) Консистенция – параметр, который характеризует подвижность ТС при её перемешивании,прокачивании. Характеризует изменение во времени сопротивления тампонажного раствора перемешиванию с помощью лопастной мешалки при неизвестных, но ограниченных скоростях сдвига. Сопротивление оценивается по величине эффективной вязкости. Консистенцию можно уподобить эффективной вязкости и определением изменения эффективной вязкости во времени. При определении консистенции цементного раствора моделируются условия при цементировании обсадных колонн: =30 с-1 – скорость сдвига; Ø=146 мм – диаметр обсадных труб; Q=30-40 дм3/с – расход, при котором закачивается тампонажный раствор. Консистенцию тампонажного раствора можно определить с помощью прибора КЦ-5 (рис.26): Рис.26. Схема прибора консистометра 1-стакан 2-коллекторнагревательная спираль 3-электроразъем 4-водяная баня 5-вращающиеся гильза 6-ТС 7-рамка-перемешиватель 8-электродвигатель 9-трансмиссия 10-пружина 11-стрелка 12-шкала После измерений на приборе КЦ-5 получают в графическом изображении консистометрическую кривую. С помощью консистометрической кривой можно определить время прокачивания тампонажного раствора до наступления времени его схватывания. Время прокачивания характеризует время для тампонирования с использованием тампонажного раствора определенного состава . Прокачиваемость тампонажного раствора – способность его прокачиваться с помощью насосных агрегатов – до момента наступления консистенции определенного значения – 30 Вс. Рис.27. Общий вид консистометрической кривой цементных растворов I – участок разжижения раствора (вязкость уменьшается); II – участок - инкубационный период; III – участок увеличения консистенции (загустевания). За время прокачивоемости принимают время, когда консистенция тампонажного раствора достигает 30 единиц Вс (Бердена). Время прокачиваемости (начала загустевания) должно быть на 20-25 % больше времени цементирования: Тзагустевания (прокачиваемости) = (1,2-1,25) Тцементирования т.е. Тзаг. Тцемент., т.е. время цементирования (с доставкой тампонажного раствора в скважину) уже достигнуто, а загустевание еще длится – т.е. еще можно прокачивать. ГОСТ 1581-96 ПТЦ - портландцементы тампонажные. Технические условия. Прокачиваемость цементного раствора характеризуется параметром время загустевания тампонажного раствора для цементирования скважин - Тзаг., мин. Это время от начала режима испытания до момента достижения тампонажным раствором при непрерывном его перемешивании по заданному термобарическому режиму консистенции 30Вс (30 условных единиц консистенции (УЕК) на консистометрах отечественного производства, выпущенных до 1986г.) Единица консистенции Бердена, Вс условная величина, характеризующая консистенцию цементного теста на основе тампонажного портландцемента. За единицу консистенции Бердена принята консистенция цементного теста, создающая на лопастном устройстве консистометра момент силы 20,0 гс*см (0,196 Н*см) [ Международный стандарт Американского нефтяного института. Стандарт API. Specification 10 bor materials and testing for well cements. Latestedition; Americanpetroleuminstitute – Dallas, Texas, 1991г. – 231с.]. Условная единица консистенции (УЕК) – условная величина, характеризующая консистенцию тампонажного раствора для цементирования скважин. За условную единицу консистенции принята консистенция тампонажного раствора для цементирования скважин в единицах Бердена-Вс За УЕК принята консистенция тампонажного раствора, создающего на лопастном устройстве консистометра момент силы 20 гс*см (0,196 Н*см) [ Руководящий документ РД 39-00147001-767-2000 (г.). Инструкция по креплению нефтяных и газовых скважин, утв. ОАО «Газпром» 25.07.2000г., ввод в действия с 01.08.2000.г. М., 2000г., - 278с.]. 8.Контракция –эффект сокращения суммарного объема цемента и воды при реакции гидратации в процессе физико-химических взаимодействий компонентов цемента с водой при твердении. При этом сумма поперечных размеров каналов до твердения и после твердения каналов между новообразованиями при заметном уменьшении объема воды,пошедшей на реакции гидратации. Например при гидратации алита идут реакции до получения гидроалита при уменьшении объема воды примерно на 6%: 3 CaO SiO2 +3H2O =2CaO SiO2 2H2O+Ca (OH)2 Выделяют два вида контракции: -молекулярная -физическая. Молекулярная –связана с образованием кристаллизационных структур цементного камня при гидратации минеральных вяжущих веществ-при этом участвующая в гидратации вода, входящая в состав новообразований занимает в их кристаллической структуре меньший объем,чем в свободном состоянии ,а расстояние между другими элементами кристаллической структуры,например центрами кристаллизации, не изменяется или меняется незначительно. Поэтому при молекулярной контракции сумма истинных объемов конечных продуктов химических процессов ,приводящих к затвердеванию цементного раствора,МЕНЬШЕ СУММЫ ОБЪЕМОВ исходных веществ :вода +цемент. Физическая контракция –связана с адсорбцией молекул воды и межмолекулярным взаимодействием в жидкой фазе а так же на поверхности раздела фаз системы твердеющего цементного раствора. В процессе физической контракции происходят взаимодействия в виде адсорбции (поглощение поверхностью центров кристаллизации молекул воды ) ,сольватации (взаимодействие частиц цемента с присутствующими в растворе электролитами ) и др. Физическая контракция проявляется в ПОГЛОЩЕНИИ ВОДЫ ( или газа ) при контакте с твердеющим цементным раствором. При полной контракции количество поглощенной воды составляет 7-9 мл на 100 г цементного раствора.Такой опыт можно провести ,если в стеклянную колбу поместить цементный раствор объемом 100 мг и в течение 7-8 часов проследить снижение уровня жидкой фазы при уменьшении объема ее на 7-9 мл.