книги из ГПНТБ / Шацов Н.И. Разобщение пластов в нефтяных и газовых скважинах (конструкции, крепление и цементирование скважин)

что понижает сопротивляемость их наружному сминающему давлению.

8. Выявленные резервы прочности муфтовых соединений (в среднем 20%) дают возможность сэкономить 5—8 т металла, идущего на крепление одной скважины глубиной 2000—3000 м, при соблюдении принятых в настоящее время запасов прочности.

Учитывая большое значение выводов Д. Ю. Мочернюка, необходимо провести промышленную их проверку; при положи­ тельном результате изменить ГОСТ 632-57 на муфты и изготовлять их с различными толщинами стенок, что даст существенную эко­ номию металла.

Исследования распределения напряжений в муфтовых соединениях обсадных труб при двухосном нагружении [50]

Д. Ю. Мочернюк испытывал муфтовые соединения 168-лш обсадных труб с толщиной стенки 12.м.и при одновременном нагружении осевой растягивающей силой и равномерным наруж­ ным давлением. Как показали эксперименты, при совместном

Рис. 42. Распределение напряжений, возникающих в теле трубы.

нагружении муфтовых соединений тело трубы в зоне нарезки находится в неблагоприятных условиях. Из эксперименталь­ ной эпюры видно (рис. 42), что тело трубы, имея тангенциальное напряжение от натяга при свинчивании, получает дополнитель­ ное тангенциальное напряжение того же знака при растяжении соединения от радиальной составляющей вследствие наклона опор-

ГЛАВА X

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТАМПОНАЖНЫХ И ДРУГИХ ЦЕМЕНТОВ

§ 1. Химический и минералогический состав тампонажных цементов

При цементировании нефтяных и газовых скважин приме­ няются цементы Новороссийского, Вольского, Карадагского,

в результате сульфатной коррозии происходит при температуре до 40°. При более высокой температуре образуется разновидность гидросульфоалюмината кальция, кристаллизация которого про­ текает без увеличения объема.

Для регулирования сроков схватывания цементов при помоле к клинкеру добавляют гипс до 3%.

Химический состав цементов, применяемых при цементиро­ вании нефтяных и газовых скважин, должен быть таким, чтобы:

1) гидравлический модуль его, т. е. отношение в процентах

_________ СаО________

SiO2 + Fe2O3-|-Al2O3

было не менее 2 и не более 2,15; 2) кремнеземистый модуль, т. е. отношение в процентах

._____ SiO2_____

Al2O3-)-Fe2O8

было не менее 1,6 и не более 3,2;

3)SO3 не более 2%;

4)MgO не более 3%.

Способность цементов приобретать высокую прочность при смешении с водой, по-видимому, зависит от количества сили­ катов, насыщенных известью. Но следует иметь в виду, что только по одному химическому составу нельзя судить о свойствах цемен­ тов. Большое значение имеет также их минералогический соста-в.

§2. Требования к качеству цемента и методы его испытания

Кцементам, применяемым для разобщения пластов в нефтя­ ных и газовых скважинах, предъявляются следующие требо­ вания.

Цементный раствор должен характеризоваться: а) замедлен­ ным началом схватывания (при низких температурах); б) уско­ ренным началом твердения с высокой прочностью; в) низкой проницаемостью после схватывания и твердения; г) большой текучестью; д) тонкостью помола; е) высоким удельным весом.

Чтобы выяснить, как цементы удовлетворяют этим требова­ ниям-, необходимо рассмотреть их физико-химические свойства.

Процесс твердения цементного раствора по предложению А. А. Байкова можно разделить на три стадии: 1) период рас­ творения; 2) период коллоидации (или схватывания); 3) период кристаллизации (или твердения).

Начало схватывания цементного раствора характеризуется потерей подвижности и загустеванием раствора.

Для конца схватывания характерна полная потеря подвиж­ ности цементного раствора. Но при этом он еще не яв'ляется настолько твердым телом, чтобы проявить заметную механи­ ческую прочность.

Начало и конец схватывания определяют по глубине погру­ жения иглы Вика в цементный раствор.

В связи со значительных! влиянием температуры на схваты­ вание предусматриваются следующие сроки схватывания цемент-

116

ного раствора. Для неглубоких скважин («холодных»), т. е. с температурой забоя до 40°, начало схватывания при водо-це­ ментном отношении В : Ц = 0,5 должно наступать от 3 до 7— 7,5 час. с момента приготовления раствора, а конец Схватывания— не позже 3 час. после начала. Для разобщения пластов в глубо­ ких скважинах («горячих»), т. е. с температурой забоя выше 40°, начало схватывания цементного раствора при том же водо-це­ ментном отношении должно быть в пределах 1 ч. 45 м. — 2 ч. 45 м. и конец — не позже 1 ч. 30 м. после начала схватывания. Обычно цементы, применяемые в неглубоких скважинах, испытывают при температуре 22° + 2°, а цементы, предназначенные для глубоких скважин, при температуре 75° -ф 3°.

Для организации процесса цементирования большое значение имеет время начала схватывания, для будущей прочности цемент­ ного раствора — продолжительность схватывания. Твердение цементного раствора, начинающееся в момент окончания схваты­ вания, заметно продолжается в течение первых 28 дней, а затем оно протекает в значительно меньших темпах.

Физические свойства цементных растворов зависят от основ­ ных компонентов цемента.

Следует иметь в виду, что до начала схватывания наступает загустевание — процесс, от которого во многом зависит качество цементного камня.

На схватывание цементного раствора в стволе скважины оказывают влияние водо-цементное отношение, степень помола, наличие и состав воды, нефти и газа, температура и давление. Чем больше водо-цементное отношение, т. е. чем жиже раствор, тем позже наступает начало и конец схватывания.

Примесь нефти к цементному раствору удлиняет период схва­ тывания. Нефть, препятствуя плотному сцеплению между це­ ментным камнем и стенками труб, способствует образованию зазора, по которому вода из верхних горизонтов постепенно может проложить себе путь к нефтеносному или газоносному эксплуатируемому пласту. Вначале просачивание может быть незаметным, но с течением времени оно будет увеличиваться вследствие разрушающего действия сульфатных и сероводородных вод, циркулирующих в недрах земли [40].

Наличие газа у забоя скважины отрицательно отражается на схватывании цементного раствора и прочности цементного камня. Даже сравнительно небольшое количество газа, подни­ маясь вверх через цементный раствор, оставляет в его массе поры. Эти поры впоследствии могут служить каналами для дви­ жения воды из верхних горизонтов в нижние и сообщения продук­ тивного горизонта с вышележащими нефтеносными и газоносными пропластками.

В тех случаях, когда скважина выделяет значительное коли­ чество газа, следует на время схватывания цементного раствора

117

создать противодавление. Циркуляцией глинистого раствора под давлением можно заглушить проявление газа, создав таким обра­ зом условия для цементирования без противодавления на забое.

например, в результате испытания цементной колонки высотой 427 см установили, что в верхней части сопротивление на разрыв составило 10,5 кГ/см2, в то время как в нижней части это сопро­ тивление увеличилось до 19,7 кГ/см2 [92].

Необходимо стремиться к тому, чтобы цементный раствор как можно быстрее после продавки его в затрубное пространство начал схватываться, так как в жидком состоянии он подвергается воздействию минерализованных вод, нефти (разжижению) и газа (разгазированию). При этом необходимо помнить, что пребывание цементного раствора в затрубном пространстве в течение неко­ торого времени в жидком состоянии может способствовать его расслоению. Поэтому для цементирования неглубоких скважин добавляют ускорители схватывания.

Быстро схватывающиеся цементы получают или путем более глубокого помола цементов, или введением химических реагентов. При грубом помоле требуется меньшее количество воды, поэтому схватывание наступает раньше. Но для всех цементов необхо­ димо получение высокой прочности через короткий промежуток времени после схватывания цементного раствора. Это имеет более серьезное значение, чем достижение временного сопроти­ вления большей величины через значительный промежуток времени (7, 14, 28 дней).

Проводившиеся в лаборатории бурения Института геологии и разработки горючих ископаемых (ИГ и РГИ АН СССР) иссле­ дования динамики изменения механической прочности образцов цементного камня из тампонажного цемента завода «Комсомолец»

(натриевый детергент советский); в этом случае для цементного камня характерна пониженная проницаемость, а для фильтрата из цементного’ раствора — пониженное поверхностное натяжение;

2)добавка 1% CaCh способствует большей прочности цемент­ ного камня в раннем возрасте;

3)нефть типа Ромашкинского месторождения (Татария) при длительном хранении в ней образцов не оказывает агрессивного воздействия на цементный камень (более 3 лет);

4)добавка 1 % жидкого стекла повышает сопротивляемость цементного камня агрессивному воздействию речной воды.

Введение химических реагентов по-разному оказывает влия­ ние на продолжительность периода схватывания цементного

118

раствора. Так, например, MgCb и СаС1г уменьшают период схва­ тывания цементного раствора обычно применяемой концентрации,

вто время как MgSO« и NaaSOi увеличивают продолжительность схватывания. Наиболее широкое распространение как ускори­ тель получил СаСЬ, добавляемый в количестве 2% по весу к су­ хому цементу. Поваренная соль NaCl также может применяться

вкачестве ускорителя.

Степень помола влияет на темпы схватывания цементного раствора: чем мельче помол цемента, тем скорее наступает начало схватывания. Цементные растворы часто не схватываются, потому что они содержат крупные частицы, которые не проходят через сито с 40 отверстиями на 1 сзг2. Цемент тонкого помола необходим для получения цементного камня более высокой прочности и быстро твердеющего. Это объясняется также и тем, что при нали­ чии в цементе неразмолотых частиц клинкера диаметром более 0,6 мм клапанные коробки цементировочных насосов интенсивнее изнашиваются. В связи с этим для цементирования применяют только такие Цементы, которые дают остаток по весу на сите с 900 отверстиями на 1 см2 не более 2%, а при просеивании через сито с 4900 отверстиями на 1 см2 остаток должен быть не более 20%.

При изучении влияния температуры на сроки схватывания цементного раствора оказалось, что этот факт резко ускоряет начало схватывания. Так, опытами, проведенными С. Л. Ланцевицкой, установлено, что если при температуре 22° оно наступило

Совместное влияние давления, температуры и добавок различ­ ных химических реагентов на физические свойства цементных растворов приведено в табл. 36 [53, стр. 34].

Таблица 36

Влияние давления, температуры и добавок химических реагентов на физические свойства цементных растворов

119

Рекомендуется придерживаться следующих требований к це­ ментным растворам (при В : Ц = 0,5), закачиваемым в скважины с высокими температурами (табл. 37) [53, стр. 35].

Таблица 37

Сроки загустевания и схватывания и прочность цементных растворов для скважин с высокими температурами

Так как при определении сроков схватывания цементных растворов совместное действие температуры и давления оказывает более интенсивное влияние, чем одна температура, причем со значительными колебаниями, необходимо перед цементированием глубоких нефтяных и газовых скважин проверять каждый раз свойства цементных растворов в условиях забойных температур и давлений. Эту проверку рекомендуется производить в автокла­ вах высокого давления конструкции ГрозНИИ, где одновременно достигается температура до 200° С и давление до 1000 ат [19].

Сроки схватывания цементного раствора определяются в авто­ клаве при помощи иглы Вика, сроки загустевания — пестиками Тетмайера. В том же автоклаве выдерживаются образцы из це­ ментного раствора, предназначенные для определения предела прочности на изгиб или сжатие.

Как показывают наблюдения, почти во всех случаях повыше­ ние температуры ускоряет процесс схватывания и твердения, но темпы ускорения неодинаковы для различных цементов.

Цементы с большим удельным весом требуют ускорения про­ цесса закачки цементного раствора в скважину, но зато, затвер­ девая в затрубном пространстве, образуют более монолитную массу, имеющую высокую прочность.

Проницаемость цементного камня является одним из весьма важных его свойств, так как характеризует сопротивляемость цементного камня проникновению жидкостей. Наблюдениями установлено, что даже после того, как цементный раствор схва­ тился и затвердел, он может при большом давлении пропускать сквозь поры воду и газ, несмотря на то, что имеет большую плот­ ность и малую проницаемость. Проникновение жидкости или газа при хорошо схватившемся и затвердевшем цементном растворе

120

проскальзывания газа в период его схватывания. Проникновение цементного раствора в глубь пласта зависит

от проницаемости самого пласта и от давления в скважине. Если требуется глубокое проникновение цементного раствора

в пласт, то цементировать следует под более высоким давлением. Одним из важных качеств цементного камня является посто­ янство его объема. Непостоянство объема может быть вызвано химическим (гашение СаО) или физическим (усадка или расши­

рение) процессами.

Цементные камни, изменяющиеся в объеме, при затвердении в скважине будут иметь трещины, прочность их нарушится и бу­ дет трудно достичь герметизации затрубного пространства.

Испытание на постоянство объема заключается в том, что цементные лепешки, помещаемые в кипящую воду на 4 часа, после охлаждения до температуры 22° не должны иметь трещин или искривлений.

Для цементирования скважин следует применять цементы свежеприготовленные, так как при хранении цементный порошок в зависимости от слеживания или уплотнения теряет подвижность и гигроскопичность. Цементный раствор на растекаемость испы­ тывают при помощи прибора АзНИИ, имеющего вид усеченного

Для оценки прочности затвердевшего цементного камня опре­ деляют временное сопротивление на изгиб при помощи рычажного прибора Михаэлиса, для чего из цементного раствора изготовляют образцы в виде призм (ГОСТ 1581-42).

Стандартом для цементного раствора с водо-цементным отноше­ нием В : Ц — 0,5 предусматриваются следующие нормы времен­ ного сопротивления изгибу (после твердения в течение двух суток).

Основой сцепления цементного камня с горными породами минимальной пористости и проницаемости следует считать диффузию фильтрата цементного раствора в поры горной породы.

121

Какова же сила сцепления цементного раствора с породой и с металлом труб и как она зависит от процесса твердения цемент­ ного раствора и от других факторов?

Из исследований, проведенных с этой целью АзНИИ, установили, что [29]:

1) сила сцепления железа с цементным камнем тем больше, чем медленнее твердеет цементный камень и чем более гелеобраз­ ных продуктов гидратации он содержит в первый период тверде­ ния;

2) сила сцепления цементного камня с железом больше, чем частиц цемента между собой;

3) реагенты в глинистом растворе уменьшают силу сцепления в следующей последовательности: глинистый раствор; глинистый раствор, обработанный сульфитцеллюлозным экстрактом; гли­ нистый раствор, содержащий нефть;

4)высокая температура уменьшает силу сцепления цементного камня с железом;

5)как правило, если поверхность породы покрывается даже самым незначительным слоем глинистого раствора, сцепление падает почти до нуля.

Поэтому перед цементированием скважины для обеспечения полной изоляции продуктивного горизонта и разобщения всех вышележащих пород друг от друга необходимо в первую очередь удалить глинистую корку со стенок скважин.

Этими же исследованиями было установлено, что быстро твердеющий цементный камень в первый период твердения имеет большую прочность, но меньшую сцепляемость с металлом.

На долговечность цементного камня в затрубном пространстве

влияет способность его к сцеплению со стенками скважины и с металлом труб. В связи с этим целесообразно при оценке каче­ ства цемента определять силу его сцепления.

Наряду со стандартными испытаниями цементных растворов согласно ГОСТ 1581-42 на изгиб и растекаемость необходимо проверять их на сульфатостойкость и на водопроницаемость [37]. Кроме того, предел прочности на изгиб надо определять дважды: через 24 часа и 48 час., так как срок ожидания твердения цементного

Из исследований выявлено, что при длительном хранении цемента, даже в бумажной упаковке, удлиняются сроки схваты­ вания, ускоряются сроки загустевания, повышается вязкость растворов, а также снижается механическая прочность и цемент становится нестабильным [53, стр. 33].

Заслуживает внимания консистометр (рис. 43), применяемый в США для определения времени загустевания цементных раство­ ров при температурах, близких к температурам в скважинах, и перемешивании цементного раствора.

122