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 иливводимые при помоле илипри 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 ВИК’а 1-диск с делением для определения диаметра растекания; 2-конус; 3-утяжелитель; 4-ТС. (28) Растекаемостьтампонажной смеси: Р=, см (29) Если Р ≥ (16÷18) см – то достигается удовлетворительная всасываемость насосом, Регулировать Р можно водоцементным соотношением и компонентами, вводимыми в состав ТС. 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. 3) Водоотдача a. Абсолютнаяменьше 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, т.е. Вусл - a ≥ 40 см3 в соответствии с принятой моделью фильтрации а - 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) B30 > 40 см3 Для изменения водоотдачи необходимо: -вводить в состав ТС минеральные добавки, удерживающие воду (ввод бентонита и др.) - вводитьв состав цементных ТС полимерные, гидрофильные вещества, которые активно взаимодействуют с молекулами воды. СЕДИМЕНТАЦИОННАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ - устойчивость против оседания частиц дисперсной фазы, за счёт чего может происходить расслоение раствора. Если расслоения нет, то это седиментационно устойчивая смесь. Рис.20. Схема изменения седиментационной устойчивости где V1–первоночальный объем тампонажной смеси; V2– объем осадка через 3 часа. Кв- коэффициент водоотдачи определяется по формуле: Кв= 100%<2,5 % (32) (смесь седиментационно устойчивая) 4) Сроки схватывания Определяют при помощи прибораВИКа Рис.21. К определению сроков схватывания Время от затворения, до того момента, когда игла не доходит до дна 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. При достижении времени начала схватывания тампонажную смесь можно перекачивать. Время от начала затворения до погружения иглы на 1 мм – время окончания схватывания в минутах - Ксхв. Время характеризует начало образования кристаллизационных структур, образованных продуктами гидратации цемента. Гидратные образования создают необходимую кристаллическую структуру. Сопротивления возрастают и игла огружается 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 Cа*АL2O3 5) Пластическая прочность -параметр, который характеризует сопротивление при внедрении штампа конусообразной формы при вязкопластичном разрушении структуры ТС. 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– коэффициентформыконуса Kα = cos2α/2 ctgα/2 (36) Рис.23. Зависимость глубины внедения конического штампа от времени Рм– предельнаяпластическая 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 (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 – свойство тампонажной смеси 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 . 6) Водоцементное отношение Рис.25. Зависимость сроков схватывания от водоцементного отношение 7) Консистенция – параметр, который характеризует подвижность ТС при её перемешивании,прокачивании. Характеризует изменение во времени сопротивления перемешиванию ТС 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 модифицируются 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 можно определить на приборе 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 консистаметрической кривой можно определить время прокачивания. Время прокачивания характеризует время для тампонирования. Прокачивоемость – способность 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 увеличния консистенции (загустевания). За время прокачивоемости принимают время, когда консистенция достигает 30 единиц Вс (Бердена). Время пркачиваемости (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 наступило, 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. 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.].