Современные требования к надежности и прочности конструкции скважины обуславливают необходимость развития технологий и материалов для ее строительства. Не малую роль в надежности конструкции скважины играет цементное кольцо, расположенное за обсадной колонной.
В процессе заключительных работ по сооружению скважины и ее эксплуатации крепь воспринимает значительные нагрузки, носящие постоянный, периодичный и кратковременный характер. Состояние цементного кольца за обсадной колонной напрямую влияет на герметичность разобщения продуктивных и водоносных горизонтов между собой и изоляцию обсадных колонн от негативного влияния пластовых флюидов.
Соответственно разрушение тампонажного камня приводит к возникновению межколонных давлений, появлению грифонов, межпластовым перетокам и преждевременному обводнению пласта.
На проницаемость и прочностные параметры тампонажного камня влияют как характеристики самого цемента (минералогический состав клинкера, гранулометрический состав портландцемента), так и условия, в которых происходит гидратация и твердение образцов. Наиболее перспективным направлением повышения прочности цементного камня, удовлетворяющим условиям и технологиям цементирования нефтяных и газовых скважин является ввод в тампонажную смесь ультрадисперсных минеральных добавок.
Тонкомолотые минеральные добавки-уплотнители могут активно участвовать в процессах структурообразования и заполнять пространство между частицами цемента, уплотняя тем самым его структуру. Кроме добавок-уплотнителей по гранулометрическому составу выделяют добавки-разбавители и добавки-наполнители [1].
Рис.1. Приближенная модель структуры, получаемой из цемента с добавками уплотнителями (а), разбавителями (б) и наполнителями (в)
Из этой модели видно, что наибольшее число уплотняющих контактов формируется при добавке-уплотнителе.
При использовании более крупных добавок число упрочняющих контактов резко снижается, что соответственно снижает эффект повышения прочности цементного камня.
Были исследованы следующие минеральные добавки:
- кварцевая мука (ОАО ТД «Кварц»);
- диабазовая мука (ООО «Диабаз»);
- метакаолин;
- микрокремнезем неуплотненный МК-85;
- ФАМ;
- испытания проводились на цементе марки ПЦТ-I-G-CC-1 (ОАО «Сухоложскцемент»).
Химический состав цементного порошка:
- 3-кальциевый силикат - 52%;
- 3-кальциевый алюминат - 2,4%;
- 4-кальциевый алюмоферрит - 14,9%.
В качестве базовой рецептуры использовался цементный раствор с В/Ц=0,49, в который кроме цементного порошка входили гидроксиэтилцеллюлоза (0,2% от массы вяжущего) и пеногаситель (0,03% от массы вяжущего).
При данном водоцементном отношении плотность раствора составила 1,87 г/см3, растекаемость - 210 мм. Минеральные добавки вводились в сухую смесь в количестве 1, 1,5, 2, 3, 5, 7, 10% от массы цементного порошка.
Исследование прочности тампонажного камня на изгиб проводилось на образцах-призмах размером 20х20х80 мм, выдерживаемых при температурах 24 и 70ºС в ванне с пресной водой.
Прочностные показатели камня определялись по результатам испытаний на изгиб как среднее арифметическое 3х наибольших результатов из 4х. Испытания проводились через 24, 48 и 72 ч твердения.
По данным проведенных исследований выявили, что оптимальный объем добавки кварцевой муки составляет 1% для температуры 24ºС и 2% для температуры 70ºС. Прирост прочности на изгиб относительно базовой рецептуры составил 31% и 95% для температур 24ºС и 70ºС соответственно (рис. 2, рис. 3).
Значительное повышение прочности цементного камня при повышенной температуре объясняется увеличением активности кварца (кварц становится активной добавкой при температурах выше 60ºС) и соответственно его участием в структурообразовании, то есть происходит сцепление кристаллов портландцемента с частицами кварца. Кроме того, размер частиц кварца примерно соответствует частицам цемента, то есть кварцевая мука в данном случае является разбавителем, что не снижает плотность структуры камня.
Рис. 2. Прочность на изгиб при 24ºС через 72 ч
Рис. 3. Прочность на изгиб при 70ºС через 72 ч
Оптимальное содержание диабазовой муки в тампонажном растворе составило 1% для 70ºС и 1,5% для 24ºС.
Повышение прочности составило 20% и 75% соответственно для 24ºС и 70ºС (рис. 2, рис. 3). Увеличение прочностных параметров можно объяснить родственным химическим составом диабазовой муки и портландцемента. В химический состав диабаза входит 76% оксида кремния (SiO2), 12,3% оксида алюминия Al2O3), 4% оксида кальция (CaO) и 3,7% оксида железа (FeO+Fe2O3). Как и в случае с кварцевым песком рост прочности при повышенных температурах обусловлен увеличением активности добавки.
По тонкости помола диабазовая мука уступает цементному порошку, соответственно уплотнения структуры камня не происходит, то есть добавка диабаза выступает в роли наполнителя. Этим объясняет снижение прироста прочности по отношению к добавке кварцевой муки.
Наибольшие прочностные показатели на изгиб с добавкой метакаолина получили при его содержании в смеси 1% и 3% соответственно для «горячих» и «холодных» условий.
Получили прирост прочности на изгиб в размере 79% и 33% для 70ºС и 24ºС соответственно (Рис.2, Рис.3).
По химическому составу метакаолин представляет аморфный силикат алюминия (Al2O3•SiO2), что обуславливает его участие в формировании структуры камня. По результатам исследования прочностных показателей цемента с добавкой ФАМ наибольший эффект получили при вводе 1% добавки.
Прирост прочности составил 18% и 61% для «холодных» и «горячих» условий соответственно (Рис.2, Рис.3). Весьма эффективно повышает прочность тампонажного камня добавка микрокремнезема марки МК-85. Наилучшие показатели достигнуты при его содержании в тампонажной смеси в количестве 3% и 10% для 70ºС и 24ºС соответственно. Повышение прочности составило 72% для «горячих» и 33% «холодных» условий (рис. 2, рис. 3).
Ввиду высокой дисперсности МК-85 он обладает значительной водопоглащающей способностью. Для сохранения необходимой подвижности тампонажного раствора при содержании МК более 5% дополнительно вводили поликарбоксилатный пластификатор в количестве 0,08% от массы цемента.
Основным компонентом микрокремнезема является диоксид кремния аморфной модификации. Рост прочности камня объясняется мелким гранулометрическим составом и весьма высокой пуццолановой активностью микрокремнезема, что способствует его взаимодействию с гидроксидом кальция, образующимся при затворении цемента, и значительному уплотнению структуры камня. По результатам исследований выявлено влияние минеральных добавок на прочностные показатели цементного камня. Для условий низких температур (24ºС) наилучшими прочностными показателями обладает тампонажный цемент с добавкой неуплотненного микрокремнезема марки МК-85 в размере 10% (рис. 2), для условий умеренных температур (70ºС) наилучшими прочностными показателями обладает тампонажный цемент с добавкой кварцевой муки в размере 2% (рис. 3). Данные минеральные добавки участвуют в процессах структурообразования и способствуют формированию мелкопористой структуры, что существенно повышает прочность тампонажного камня.
Список литературы
1. Курочка П.Н. Экспериментально-теоретические предпосылки повышения прочности цементного камня тонкодисперсными минеральными добавками и добавкой, содержащей фуллерены, П.Н. Курочка, А.В. Гаврилов; Вестник РГУПС. 2013. №1. С. 97‒102.
Автор: Д. Русинов ПНИПУ,
