Основные свойства цементного порошка, раствора и камня

17.11.2020

Свойства порошка. Под плотностью тампонажной смеси понимают массу единицы объема ее в плотном теле, т. е. за вычетом естественной пористости. Плотность сухой смеси зависит от состава последней и плотности каждого компонента

где pi — плотность соответствующего компонента смеси; ci — содержание данного компонента в смеси в долях от общей массы ее.

Важная характеристика смеси — масса единицы объема ее без вычета естественной пористости, именуемая удельной насыпной массой. Удельная насыпная масса зависит от тонкости помола и уменьшается с увеличением последней. Так, удельная насыпная масса тампонажного портландцемента в рыхлом состоянии равна примерно 1200 кг/м3, а смесей этого цемента с тонкодисперсными добавками может снизиться до 800 кг/м3. При уплотнении порошка, например, путем наложения вибраций удельная насыпная масса может возрасти в 1,2—1,5 раза.

Удельная поверхность, т. е. суммарная поверхность частиц, содержащихся в 1 кг материала, измеренная методом воздухопроницаемости, может изменяться в зависимости от степени измельчения компонентов примерно от 250—350 для портландцемента до 1000 м2/кг и даже до 1500 м2/кг для смесей базовых цементов с большим количеством тонкодисперсных добавок.

Свойства цементного раствора. Условимся называть относительным водосодержанием п тампонажного раствора отношение массы воды к массе твердой фазы, взятым для его приготовления. Для полной гидратации тампонажного портландцемента требуется 20—25% воды от его массы, т. е. n = 0,2-0,25. Ho тесто, которое образуется при смешивании цемента с таким количеством воды, оказывается практически непрокачиваемым. Поэтому для получения раствора, который можно транспортировать в скважину, всегда добавляют к цементу воды значительно больше, чем требуется для гидратации. В отечественной практике за минимально необходимое обычно принимают такое водосодержание, при котором диаметр круга расплыва раствора из стандартного конуса АзНИИ равен 18 см. Так, для раствора из тампонажного портландцемента минимальное n = 0,35-0,4. Наибольшее допустимое водосодержание ограничивается седиментационной устойчивостью тампонажного раствора.

Плотность тампонажного раствора зависит от состава твердой фазы и относительного водосодержания. Если в состав приготовляемого раствора не вводят газонаполненные гранулы (перлит, пламилон и т. п.) и раствор не аэрируют, плотность его можно рассчитать по формуле

где рж — плотность жидкости, с которой смешивают тампонажный порошок.

Очень важное значение имеет подвижность тампонажного раствора. В мировой практике наиболее широко применяется косвенный способ оценки подвижности по густоте (или консистенции) раствора, измеряемой в условных единицах с помощью специального прибора — консистометра, в котором воспроизводятся температура и давление, ожидаемые при цементировании. Прибор состоит из стального стакана 8 (рис. 56), вращающегося с небольшой скоростью вокруг вертикальной оси; рамки 7 с лопастями, помещенной в стакан; электродвигателя 10 с редуктором 9, смонтированных на общей станине 11 с кронштейном 1. Ось 6 рамки подвешена с помощью подшипника 2 в кронштейне 1. К оси прикреплен один конец калиброванной пружины 3, второй конец неподвижно связан с кронштейном. Если в стакан налить тампонажный раствор и включить двигатель, вращение от стакана через раствор будет передаваться рамке с лопастями. Так как с осью рамки соединена пружина, то рамка повернется лишь на угол, при котором крутящий момент, приложенный к ней со стороны тампонажного раствора, будет равен моменту упругих сил пружины. Так как пружина калиброванная, то, измеряя с помощью стрелки 4 и шкалы 5 угол поворота рамки, можно определить величину приложенного к ней момента. Обычно на шкалу наносят деления не в единицах крутящего момента, а в условных единицах консистенции УЕК. За 1 УЕК принимают угол, на который повернется рамка прибора, если в стакане будет находиться ньютоновская жидкость с динамической вязкостью 1 мПа*с.

Чтобы можно было воспроизводить условия давления и температуры при цементировании, стакан прибора заключен в специальный автоклав. Размеры стакана и рамки, жесткость калиброванной пружины и скорость вращения стакана должны быть строго одинаковыми для всех приборов.

Считают, что консистенция есть величина, обратная подвижности. Консистенция изменяется во времени по мере того, как развивается процесс гидратации (рис. 57). Обычно удовлетворительно подвижными считают тампонажные растворы, консистенция которых в течение времени, достаточного для транспортирования раствора в скважину, не превышает 10—15 УЕК. По мере развития гидратации вяжущего наступает период, когда раствор становится трудно прокачиваемым. Промежуток времени от начала смешивания тампонажного порошка с водой до момента, когда консистенция становится чрезмерно густой, а раствор — плохо подвижным, называют сроком загустевания. Обычно такой критической точкой считают консистенцию в 50 УЕК.

Для цементирования скважин в большинстве случаев желательно использовать растворы, подвижность которых в течение времени, достаточного для транспортирования в скважину, изменяется в небольшом диапазоне, а после оставления раствора в покое резко падает. Срок загустевания таких растворов правильнее определять по моменту начала интенсивного роста консистенции.

Многие тампонажные растворы можно в первом приближении рассматривать как вязкопластичные тела, а о подвижности их судить по динамическому напряжению сдвига и пластической вязкости, измеряемым с помощью специальных вискозиметров. За срок загустевания в этом случае можно принять отрезок времени от начала затворения до момента начала интенсивного роста динамического напряжения сдвига (рис. 58).
Основные свойства цементного порошка, раствора и камня

В отечественной практике часто пользуются также понятиями о сроках схватывания. Сроком начала схватывания называют промежуток времени от начала затворения до момента, когда прочность структуры в неподвижном тампонажном растворе, помещенном в стандартный конус, достигнет такой величины, что стандратная игла Вика, погружаемая в раствор, не доходит до нижней границы конуса на 1—2 мм. Под сроком конца схватывания понимают промежуток времени от начала затворения до того момента, когда та же игла Вика будет погружаться в тесто не более чем на 1 мм. По сроку начала схватывания можно приближенно судить о сроке начала загустевания. По разнице в сроках конца и начала схватывания косвенно судят о темпе нарастания начальной прочности цементного камня.

Исключительно большое значение для качества разобщения пластов имеет седиментационная устойчивость тампонажного раствора. Потенциально любой тампонажный раствор кинетически неустойчив: сравнительно грубые частицы тяжелой твердой фазы его всегда стремятся опускаться вниз под действием силы тяжести относительно более легкой дисперсионной среды. Концентрация твердой фазы в растворе велика, поэтому осаждение частиц не подчиняется закону Стокса, а скорости осаждения более крупных и более тяжелых частиц практически одинаковы со скоростями осаждения более мелких и более легких частиц. Твердая фаза очень медленно опускается вниз, а вытесняемая ею свободная вода фильтруется вверх по поровым каналам между твердыми частицами. О седиментационной устойчивости судят прежде всего по величине коэффициента водоотстоя, т. е. по отношению объема воды, выделившейся из 250 см3 тампонажного раствора, налитого в мерный стеклянный цилиндр, за 2 ч покоя, к исходному объему раствора. Согласно нормам Американского нефтяного института (АНИ) устойчивыми считаются растворы с коэффициентом водоотстоя не более 2%, а из некоторых сортов цемента — даже не более 1,4%.

Седиментационную устойчивость полезно контролировать также в опытах с раствором, налитым в коническую колбу или в узкий высокий цилиндр. Если седиментационно неустойчивый раствор оставить в покое в конической колбе, спустя некоторое время в нем вдоль наклонных стенок сосуда появятся каналы, по которым движутся вверх струйки воды, иногда даже с комочками твердой фазы. Эти каналы сохраняются и в цементном камне, если при твердении не происходит значительного увеличения его объема.

В неустойчивом растворе, налитом в узкий высокий цилиндр, со временем образуются горизонтальные трещины, заполненные водой. Разрывы появляются вследствие того, что процесс гравитационного осаждения твердой фазы идет одновременно с образованием структуры в растворе и зависанием последней на стенках сосуда. Чем меньше диаметр сосуда, тем больше образуется таких трещин. Такие же трещины, заполненные водой, могут образовываться в скважинах, поскольку зазор между стенками ствола и обсадной колонной почти всегда достаточно мал.

Свободная вода, содержащаяся в тампонажном растворе, может отфильтровываться из него через проницаемые стенки скважины, из-за него подвижность раствора уменьшается. Поэтому важной характеристикой является водоотдача тампонажного раствора. Хорошими можно считать растворы, водоотдача которых через стандартный фильтр при перепаде давлений 7 МПа и температуре, ожидаемой в цементируемом интервале скважины, не превышает 10—15 см3 за 30 мин. Водоотдача раствора, приготовленного из тампонажного портландцемента при n=0,5, достигает 800 см3 и более.

Свойства цементного камня. Прочность камня, образующегося из тампонажного раствора, интенсивно растет в первый период твердения, продолжающийся от нескольких часов до нескольких суток, в зависимости от состава цемента, температуры, давления и других факторов. В дальнейшем интенсивность роста быстро уменьшается, но прочность постепенно может увеличиваться в течение длительного времени, нередко многие месяцы. Одновременно с ростом прочности уменьшается пластичность камня, он становится все более хрупким телом.

Прочность камня имеет большое значение прежде всего для обеспечения герметичности заколонного пространства скважин: в случае сильного повышения избыточного внутреннего давления в обсадной колонне, температуры ее или приложения к колонне осевой растягивающей силы после образования цементного камня в последнем возникают значительные тангенциальные и осевые растягивающие напряжения, под воздействием которых камень может разрушиться. Камень может разрушаться также под действием ударных нагрузок при простреленных работах в скважине.

С увеличением модуля упругости цементного камня возрастает доля радиальных нагрузок, которые воспринимаются им, к соответственно уменьшается нагрузка на обсадную колонну от избыточного давления; прочность крепи при этом увеличивается. Модуль упругости камня увеличивается одновременно с ростом прочности; в зависимости от состава камня и температуры величина его на один-два порядка меньше модуля упругости стали.

Цементный камень является пористым телом. В процессе гидратации портландцемента при невысокой температуре радиус пор уменьшается от долей миллиметра в жидком тампонажном растворе до единиц и даже сотых долей микрометра в сформировавшемся камне. При повышенных температурах в камне может происходить перекристаллизация неустойчивых продуктов гидратации, образовавшихся в начальный период твердения, в более устойчивые при данных условиях, при этом радиус пор увеличивается. По данным В. С. Данюшевского и К.А. Джабарова, средний радиус пор в камне трехмесячного возраста, сформировавшемся из раствора тампонажного портландцемента с n=0,5 при температуре 22°С, равен 0,012 мкм, при температуре 50°С — 0,025 мкм, а при температуре 160°С — уже 0,6 мкм. Практически непроницаемым может быть тело лишь с субкапиллярными каналами, радиус которых менее 0,2 мкм. Даже в камне со средним радиусом пор 0,012 мкм имеется некоторое число достаточно крупных каналов с радиусом 1 мкм и более, благодаря которым камень становится проницаемым. По крупным по-ровым каналам жидкость может перетекать из одного пласта в другой или в атмосферу. Проникновение агрессивной пластовой жидкости по капиллярным каналам внутрь камня способствует интенсификации коррозии его. Важно поэтому контролировать проницаемость цементного камня и так регулировать состав его, чтобы предотвратить возможность образования значительного числа капиллярных и более крупных поровых каналов.

О коррозионной стойкости цементного камня судят по характеру изменения прочности и проницаемости, а также структуры его при длительном хранении в агрессивных пластовых водах. Для этого образцы цементного камня опускают в скважину, в которую поступает агрессивная пластовая вода, либо в специальную ванну с проточной пластовой водой для продолжительного хранения. Через определенные интервалы времени извлекают из воды часть образцов и измеряют их прочность, проницаемость, исследуют структуру. Камень можно считать коррозионностойким, если после длительного хранения в агрессивной пластовой воде (например, в течение 1 года) прочность не уменьшилась, а проницаемость не возросла.

Процесс превращения тампонажного раствора в твердое тело может сопровождаться некоторым изменением его геометрического объема. Если при твердении теста геометрический объем его уменьшается, между цементным камнем и обсадной колонной, между камнем и стенками скважины может образоваться зазор, по которому проницаемые пласты будут сообщаться друг с другом. Для цементирования скважин пригодны лишь такие тампонажные смеси, при твердении растворов из которых геометрический объем несколько увеличивается (расширяющиеся смеси) либо остается неизменным (безусадочные цементы). Конечно, увеличение объема при твердении должно идти без образования трещин и значительного числа капиллярных поровых каналов.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2020
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна