Буровые и тампонажные растворы

     Длительность  каждого этапа и скорость перехода первого во второй обусловлены скоростью  накопления гидратных новообразований, которая зависит от  В/Ц, качества цемента и воды затворения, наличия  добавок и реагентов, условий  приготовления и цементирования.

     При постоянном перемешивании происходит непрерывное разрушение образующейся структуры с увеличением концентрации мельчайших частиц продуктов гидратации. Это интенсифицирует процесс структурообразования. В результате сопротивление перемешиванию возрастает и в некоторый момент происходит лавинообразное нарастание сопротивления.

     Время от затворения до этого момента называется временем загустевания цементного раствора.

           Превращение цементного раствора  в камень сопровождается контракцией – сокращением суммарного объема цемента и воды в процессе гидратации. Это обусловлено перестройкой кристаллических решеток исходных минералов клинкера из атомных в молекулярные при их гидратации. Внешне контракция проявляется поглощением воды или газа, находящейся в контакте с твердеющим цементным раствором. При полной гидратации цементных зерен поглощение прекратится. Максимально количество поглощенной воды составляет 7-9 мл на 100 г и зависит от активности цемента.

                     

                                       Деформации цементного  камня

     При неограниченном поступлении воды извне  в поровое пространство цементного камня в процессе твердения наблюдается  некоторое увеличение внешнего объема, называемое набуханием.

     Опорожнение пор цементного камня приводит к  уменьшению объема камня, называемому  усадкой. Усадка связана с капиллярными явлениями, сжатием слоистых минералов при удалении межслоевой воды.

     Самопроизвольное  расширение – увеличение внешнего объема цементного камня, превышающее по величине естественное набухание. Для тампонажных цементов усадка нежелательна, а определенное увеличение объема при затвердевании весьма полезно. Для получения расширения необходимо создать условия, способствующие возникновению дезориентированных напряжений, которые способны вызвать равномерную раздвижку элементов структуры цементного камня. Для создания собственных напряжений в состав цемента вводят расширяющие добавки, которые, участвуя в химических реакциях с водой, веществом цементного камня или между собой, вызывают образование и рост кристаллов в порах структуры камня. Кристаллизационное давление роста этих кристаллов и вызывает раздвижку элементов структуры цементного камня.

       Многие расширяющие цементы содержат добавки, из которых в порах цементного камня образуется эттрингит. Этот минерал, образуясь в процессе коррозии, вызывает разрушение камня. Когда же эту реакцию используют для получения управляемого процесса расширения, то расширяющую добавку диспергируют и равномерно распределяют в цементном порошке. Расширяющая добавка – смесь сульфата кальция, алюмината кальция и гидроксида кальция (гидросульфоалюминат кальция) – это и есть эттрингит.

                    

     Коррозионное  разрушение цементного камня

     Цементный камень склонен к различным химическим реакциям с окружающей средой. Он является щелочным по характеру. Большинство  соединений в цементном камне  устойчиво существуют при рН  >11.

     Даже  обновления пресной или мягкой водой  у поверхности цементного камня  достаточно для медленного разрушения в результате постепенного вымывания  гидроксида кальция и последующего разрушения других  соединений. Этот вид называется коррозией выщелачивания.

     Происходит  кислотная коррозия, когда гидроксид кальция реагирует с сероводородом или под действием кислых солей:

                                  Са(ОН)₂ + 2Н₂S  = Са(НS)₂ +2Н₂О

     Углекислотная коррозия происходит при взаимодействии с углекислотой:

                           Са(ОН)₂ + Н₂СО₃ =СаСО₃ + 2Н₂О;

                           СаСО₃ + Н₂СО₃ = Са(НСО₃)₂

     Магнезиальная коррозия происходит в результате контакта с пластовыми водами, содержащими хлористый магний:

                            Са(ОН)₂ +МgСI₂ = Мg(ОН)₂ + СаСI₂

       Сульфитная коррозия происходит аналогично при взаимодействии с сульфитом натрия:

                            Са(ОН)₂ + Nа₂ S = СаS +2NаОН 

                                          Качество цементирования 

       После затвердевания цементного раствора проверяют качество цементирования: фактическую высоту подъема цементного раствора за колонной, полноту вытеснения бурового раствора цементным раствором и герметичность обсадной колонны.

     Верхнюю границу цементного раствора определяют с помощью электротермометра. При  схватывании  происходят реакции  гидратации  с выделением тепла. Наибольшее количество тепла выделяется при схватывании и твердении  цементного раствора в течение 5-10 часов  после его затворения.

     В настоящее время для оценки качества сцепления цементного камня с колонной и стенками скважины, а также полноты замещения бурового раствора тампонажным  широко применяется метод акустического каротажа (АКЦ). Он заключается в том, что амплитуда колебаний части обсадной колонны, не закрепленной цементным камнем, при испытании акустическим зондом значительно больше по сравнению с зацементированной колонной.

                         Повышение качества цементирования

     К основным факторам, повышающим качество цементирования, относятся:

1. тип тампонажного материала и параметры его раствора;
2. турбулизация потока жидкости в кольцевом пространстве;
3. центрирование, расхаживание и вращение колонны с целью равномерного заполнения кольцевого пространства цементным раствором, ликвидации застойных зон, дополнительной турбулизации потока жидкости;
4. механический способ очистки стенок скважины от фильтрационной корки при использовании скребков;
5. использование различных буферных жидкостей с целью отделения бурового раствора от цементного.

 

                                              Буферные жидкости

     Буферной  жидкостью называется промежуточная жидкость, разделяющая буровой и тампонажный растворы в процессе цементирования.

     Основное  предназначение – предотвращение смешивания, а также повышение степени  замещения бурового раствора цементным  и очищение стенок скважины.

     Универсальных буферных жидкостей нет. Лучшей вытесняющей  способностью обладают жидкости более  высокой вязкости и плотности, чем  у вытесняемой. Для удаления остатков бурового раствора со стенок и каверн она должна обладать высокой вытесняющей  способностью и физико-химической активностью.

Требования  к буферной жидкости:

• не должна резко ухудшать свойства контактирующих жидкостей;
• вязкость и плотность буферной жидкости должны быть средними между аналогичными параметрами разобщающих жидкостей;
• для разделения растворов на водной основе нельзя применять буферную жидкость на углеводородной основе.

     Объем выбирают с расчетом, чтобы не происходило  перемешивание  БР и ТР. Минимальный  объем достаточен, если высота столба буферной жидкости в кольцевом пространстве будет не менее 100-150 м.

     Вода, как буферная жидкость, обладает хорошими моющими свойствами. Ее можно применять при цементировании скважин, пробуренных в устойчивых породах, не подверженных набуханию и осыпанию. В воде могут растворять ПАВ – сульфонол, дисольван, а также ССБ, КМЦ, гипан и т.п. ПАВ повышает степень смыва остатков бурового раствора. Полимеры вводят для повышения вязкости.

     Для утяжеления применяют водные растворы солей. Однако, вода не пригодна для  вытеснения утяжеленных буровых  растворов, при вскрытии продуктивных пластов.

     Вязко-упругие  разделители (ВУР) предназначены для  достижения максимального вытеснения. К ним относятся полимерные композиции.

     Буферные  жидкости на углеводородной основе применяют  только при бурении скважин на РУО (растворах на углеводородной основе). 

                                                    Литература 

     

1. Жуховицкий  С.Ю. Промывочные жидкости в бурении - М. : Недра, 1976.
2. Городнов В.Д. Буровые растворы. - М. : Недра, 1985.
3. Булатов А.И., Данюшевский В.С. Тампонажные материалы. – М.: Недра, 1987.
4. Башлык С.М. и др. Лабораторный практикум по основам гидравлики и промывочным жидкостям. - М. : Недра, 1982.