CC BY
2
ИССЛЕДОВАНИЯ ОБЛЕГЧЕННЫХ ЦЕМЕНТНЫХ РАСТВОРОВ НА ОСНОВЕ
МИКРОСФЕР
А.М. Хафизов, студент Н.В. Якупов, студент Т.К. Сахибгареев, студент М.М. Маликов, студент
Уфимский государственный нефтяной технический университет (Россия, г. Уфа)
DOI:10.24412/2500-1000-2024-5-5-221-226
Аннотация. При строительстве протяженных скважин в сложных горногеологических условиях возникает проблемы, которые могут привести к гидроразрыву пластов, в связи с чем проблема подбора методов создания надежных цементных смесей является актуальной. Проведено приготовление облегченного цементного раствора с разным содержанием в нем АСМ. Уровень водоцементного отношения мог достигать до 0,9. Результаты проведенных исследований продемонстрированы показали, что при повышенном содержании АСМ наблюдается изменение различных параметров цементного состава. Доказано, что полые микросферы, как и отмечали специалисты ранее, имеют более качественный эффект. Уменьшение плотности раствора с хорошими свойствами может достигать 1250 кг/м3. Однако, данный вид раствора имеет недостаток, так как при его эксплуатации наблюдается высокий уровень фильтрации.
Ключевые слова: цементный раствор, тампонаж, микросфера, скважина.
При строительстве протяженных скважин в сложных горно-геологических условиях возникает проблемы, которые могут привести к гидроразрыву пластов. Как правило, основные реагенты, способствующие облегчению тампонажной смеси -это диатомит, трепел и зола, также могут использоваться алюмосиликатные микросферы. Помимо указанных реагентов существует методика введения в имеющиеся растворы каолина и алюмосиликатных полых сфер для того чтобы укрепить цементный состав путем заполнения пустот. При изначальных попытках снизить плотность тампонажного раствора были применены множество методов и технологий. Одним из методов было добавление угольной пыли или торфа. После появления проблем, которые характеризовались тем, что терялось качество цемента, появлялись дополнительные сложности в виде ухудшения качества крепления, появление трещин и разрушений цемента, риск поглощения и т.д. В связи с этим, в настоящее время актуальной является задача по разработке и внедрению легких наполнителей в состав цементного раствора.
Если целью внедрения добавок в состав цементного раствора не является только снижение плотности, но и сохранение его физико-механических свойств, то рентабельно применять материалы, которые содержат кремний. К материалам, содержащим кремний и годный к добавлению в раствор цемента относятся:
- продукт отхода после сжигания угля, а иначе зола;
- результатом флотации золы уноса, является получение топливной золы, которая также может применяться в качестве добавки в цементную смесь для его облегчения.
Добавки данного типа, как уже описывалось ранее, придают цементу тех же свойств, что и в исходном растворе. Как правило, основным компонентом данного типа добавок является оксид кремния. Максимальное снижение плотности там-понажного раствора, с помощью этих добавок, может достигать 1220 кг/м3.
Для приготовления облегченной тампо-нажной смеси могут применяться следующие реагенты:
- тампонажный портландцемент (ПЦТ 1-50 ГОСТ 1581-96);
- стеклянные микросферы из натриево-борсиликатного стекла;
- алюмосиликатные полые микросферы (АСПМ);
- стеклянные высокопрочные газонаполненные микросферы (ВМС).
Микросферы должны иметь большую прочность, так как от него зависит плотность цементного раствора. Так как с увеличением глубины, нижние интервалы раствора могут быть большой плотности, если под давлением массы верхнележащих интервалов не справится с сжимаемостью. Также, микросферы, при добавлении в состав раствора, способствуют тому, чтобы показатель проницаемости цемента снизился на максимально низкий уровень. Стоит отметить, что показатель гидравлического сопротивления также снижается довольно сильно.
Если рассматривать добавки типа АСПМ или ВМС, то при их добавлении до 20% плотность цементной смеси может быть достигнута (1300-1400) кг/м3, данный эффект связан с тем, что добавка сама имеет пониженную плотность, а также добавляется большое количества воды. Во-доцементное отношение указанных растворов может достигать значений до 0,8.
Микросферы есть разных видов и делятся на группы. В зависимости от группы они отличаются своими техническими показателями.
Для того чтобы управлять и менять свойства тампонажных смесей применяют дополнительные реагенты, как правило в качестве ускорителя схватывания используют СаС12. При сочетании с микросферами, как и говорилось ранее, плотности цемента доходят до 1300 кг/м3, учитывая, что водоцементное отношение равно (0,5-0,6). Особенность данного типа растворов в том, что время их твердения и прочностные качества довольно выше, чем обычные облегченные цементы.
Для того чтобы цементные растворы сохраняли свои прочностные, фильтрационные свойства, как правило, принято использовать различные реагенты в сочетании с самим раствором. Если использовать
цементы без дополнительных реагентов, то возникает риск возникновения поглощений цемента, потери необходимой плотности раствора и т.д.
Рассмотрим пример, при котором цементный раствор будет иметь высокий показатель фильтрации. В данном случае будет наблюдаться загрязнение пластов раствором, при перемешивании цемента с различными другими веществами, возможно оседание его в призабойной зоне пласта. При перемешивании цемента с глинами, наблюдается расслоение раствора, с последующим образованием мелких частиц, которые, в последствие, закупоривают поры пластов.
Для того чтобы избежать вышеупомянутых проблем следует контролировать и понижать количество фильтрата, который возможно проникнет в пласт. Для того чтобы совершить данные действия необходимо применять реагенты в составе с тонкодисперсными гидрофильными материалами. Исходя от поставленных задач, были придуманы различные реагенты и материалы, которые добавляют в состав цементного раствора [5].
Как показала практика, наиболее эффективным в больших случаях является применение полимерных реагентов. Данные реагенты способны обеспечить седи-ментационную устойчивость раствора, а также снизить показатель фильтрации. Если снизить уровень показателя фильтрации, то это способствует лучшему заполнению кольцевого пространства, наряду с этим повысится уровень прочности цементного камня.
Существующие трудности при выборе цементных растворов обосновано тем, что в настоящее время отсутствуют четкие границы по определению оптимального показателя фильтрации. Если рассматривать критерии подбора данного показателя, то цемент должен быть прочным и соответствовать всем нормам для качественного крепления скважины, с другой стороны следует рассматривать вариант проникновения данного раствора в пласты.
Как правило, данную проблему начинают рассматривать, если при креплении скважин встречаются пласты с коэффици-
ентом проницаемости пласта не менее 5 мД. Также, если при цементировании применятся технология с расхаживанием колонны. В других случаях требования к показателю фильтрации ЦР не предъявляются. Иностранные исследователи в области строительства нефтяных и газовых скважин отмечают, что после проведенных исследований они выявили оптимальный показатель фильтрации и он не должен превышать 100 см3 за 30 минут [3].
Стоит отметить тот факт, что, если процесс цементирования происходит в интервале низкопроницаемых песачников, то требования к показателю фильтрации могут быть снижены. Данный факт был доказан на производственном опыте и при снижении значений показателя фильтрации до 120 см3 за 30 минут, скорость фильтрации была сохранена [2].
Также к преимуществам полимерных реагентов можно отнести то, что кроме его использования для снижения показателя фильтрации, данные реагенты могут обеспечить эффективный цементный камень с очень низким уровнем проницаемости. Дело в том, что при использовании облегченных цементов в составе с добавками, удельная поверхность которых отличаются большой величиной, наблюдается способность обезвоживания во время загустева-ния и твердения камня соответственно [1].
После рассмотрения данных об облегченных цементных растворах и материалов, которые участвуют в разработке этих составов было принято решение о проведении мероприятий по созданию облегченного раствора с плотностью 1300 кг/м3. Также было принято решение следить за показателями фильтрации раствора, так как мы убедились, что данное свойство играет большую роль при креплении скважин в определенных условиях.
Рассмотрим тампонажные растворы с добавлением полых стеклянных микросфер. Данные добавки имеют следующие свойства:
- высокий уровень прочности материала;
- определенную плотность;
- обладают идеальной сферической поверхностью.
В используемых источниках [1, 2] говорится, что растекаемость цементной смеси с применением данной добавки только увеличивается до размеров в 25,0 см.
При решении снизить плотность буровой промывочной жидкости должно быть четкое понимание, что совершая эти действия, мы намеренно воздействуем на важные показатели самого цементного раствора в целом. В основном ухудшаются физико-механические свойства, увеличение водоотдачи, ухудшение твердеющих свойств.
Также, при уменьшении общего объема смеси мы можем получить плохое качество крепления скважины из-за низких показателей сцепления колонны с цементным камнем. Для того чтобы избежать уменьшение объема цементного раствора в скважине в промышленности принято использовать реагенты, которые влияют на расширение тампонажной смеси, а иначе расширяющие добавки.
Промышленные испытания различных реагентов показывают, что наиболее качественными являются полые микросферы.
Чтобы проверить данные утверждения, было принято решение приготовить облегченные цементные растворы с разным содержанием в нем АСМ. Уровень водоце-ментного отношения мог достигать до 0,9. Результаты проведенных исследований продемонстрированы в таблице 1.
Таблица 1. Результат испытания облегченных тампонажных растворов с использовани-
Параметр Содержание в смеси цемента и микросфер, %
99/1 98/2 97/3 96/4 95/5
В/Ц
0,9 0,9 0,9 0,9 0,9
Плотность 1,45 1,38 1,34 1,28 1,25
Растекаемость 220,0 250,00 250,00 250,00 250,00
Водоотделение, мм 7,25 7,75 8,25 3,15 3,40
Время загустевания 155 175 160 152 160
Прочность, МПа (2 сут.) 3,53 2,91 2,85 2,36 2,05
Примечание - для приготовления тампонажного раствора использован цемент марки ПЦТ-100.
99/1 98/2 97/3 96/4 95/5
Рис. 1. Изменение плотности в зависимости от концентрации микросфер
Рис. 3. Изменение растекаемости в зависимости от концентрации микросфер
После просмотра результата в таблице 1 можно прийти к выводу, что при повышенном содержании АСМ наблюдается изменение различных параметров цементного состава.
Водоцементное отношение равное 0,6 показывает, что цементный раствор не годен к его эксплуатации, так как нарушает стандарты, принятые в ГОСТ 1581-96.
Исходя из данного результата, было принято решение увеличить показатель водоцементного отношения до 0,9. Результат показывает, что облегченный цементный раствор, в котором находится 99% цемента и лишь 1% добавки, является оптимальным по своим параметрам и подходит для его применения на скважинах. Растворы с показателями водоцементного отношения равным 0,9 также являются не-
качественными по своей структуре, в связи с присутствием огромного количества воды. Также стоит отметить тот факт, что прочность цемента обратно пропорциональны количеству, применяемых добавок, для снижения плотности в его составе. Микросферы являются качественными понизителями плотности в цементах, и соответствует всем требованиям, к цементным составам, применяемым при строительстве скважин в настоящее время.
Было доказано, что полые микросферы, как и отмечали специалисты ранее, имеют более качественный эффект. Уменьшение плотности раствора с хорошими свойствами может достигать 1250 кг/м3. Однако, данный вид раствора имеет недостаток, так как при его эксплуатации наблюдается высокий уровень фильтрации.
Библиографический список
1. Гидроциклоны. Методы сепарации твердых частиц // Информационный сайт по бурению и буровым растворам. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://fluidspro.ru/teoriya/kontrol-soderzhaniya-tverdoj-fazy/metody-separacii-tverdyx-chastic/gidrociklony/ (дата обращения 18.02.2024).
2. Головин М.В. Современные тенденции развития вибросит для очистки буровых растворов / М.В. Головин, А.А. Добик, А.В. Кортунов, В.И. Мищенко //Бурение & Нефть. -2014. - №03 (Март).
3. Исследование динамики и выбор параметров вибросита для очистки бурового раствора. Отчет по теме №175-70, № госрегистрации 77003180. - М.: МИНХ и ГП им. И М. Губкина, 1977.
4. Булатов А.И. Технология промывки скважин. - Москва: Недра, 1981.
5. Басарыгин Ю.М. Заканчивание скважин. - Москва: ООО «Недра-бизнесцентр», 2002. - 632 с.
- HayKU o 3eMne -
STUDIES OF LIGHTWEIGHT CEMENT MORTARS BASED ON MICROSPHERES
A.M. Hafizov, Student N.V. Yakupov, Student T.K. Sahibgareev, Student M.M. Malikov, Student
Ufa State Petroleum Technological University (Russia, Ufa)
Abstract. When constructing long wells in difficult mining and geological conditions, problems arise that can lead to hydraulic fracturing, and therefore the problem of selecting methods for creating reliable cement mixtures is relevant. A lightweight cement mortar with different ASM contents was prepared. The level of water-cement ratio could reach up to 0.9. The results of the studies demonstrated that with an increased content of ACM, a change in various parameters of the cement composition is observed. It has been proven that hollow microspheres, as previously noted by experts, have a better effect. The density reduction of a solution with good properties can reach 1250 kg/m3. However, this type of solution has a disadvantage, since during its operation a high level of filtration is observed.
Keywords: cement mortar, grouting, microsphere, borehole.
