CC BY
28
УДК 622.257.122
Ключевые слова:
тампонажный
камень,
компьютерная
томография,
эффективная
проницаемость,
ртутная
порометрия,
рентгенофазовый
анализ,
деформационно-
прочностные
свойства.
Сравнительный анализ свойств тампонажного камня, сформированного различными способами из портландцемента ПЦТ I-G-CC1
A.Ф. Соколов1*, В.С. Жуков1, С.Г. Рассохин1, В.М. Троицкий1, А.В. Мизин1,
B.П. Ваньков1, А.Е. Алеманов1, О.М. Монахова1, Е.О. Семёнов1, О.В. Иселидзе1, О.Г. Михалкина1, В.А. Коновалов1, ТА Перунова1
1 ООО «Газпром ВНИИГАЗ», Российская Федерация, 142717, Московская обл., Ленинский р-н, с.п. Развилковское, пос. Развилка, Проектируемый пр-д № 5537, вл. 15, стр. 1 * E-mail: AF_Sokolov@vniigaz.gazprom.ru
Тезисы. Работа посвящена результатам комплексных сравнительных исследований свойств стандартизованных образцов тампонажного камня, сформированных из портландцемента ПЦТ I-G-CC1 в атмосферных условиях и в условиях, моделирующих пластовые, на основе существующих стандартов. Свойства созданных образцов исследованы различными методами, а именно: ртутной поро-метрии (распределение пор по размерам), рентгеновской дифракции (фазовый состав исходного цемента и образцов тампонажного камня), одноосного сжатия и растяжения (изучение динамики деформационно-прочностных свойств образцов тампонажного камня и сопоставление их с прочностью пород продуктивных горизонтов), компьютерной томографии (визуализация внутреннего строения и определение плотностных характеристик материала тампонажного камня).
Комплекс сравнительных исследований позволяет тестировать различные предлагаемые составы тампонажных растворов перед использованием в реальных горно-геологических условиях месторождений углеводородов с целью повышения качества цементирования скважин на заключительном этапе строительства.
В целях увеличения добычи нефти и газа необходимо повышать качество строительства нефтяных и газовых скважин. Цементирование, одна из операций крепления скважин на заключительном этапе их заканчивания, решает следующие задачи: изоляции проницаемых горизонтов; предотвращения заколонных перетоков пластовых флюидов; удержания обсадной колонны в подвешенном состоянии; создания разобщающих экранов, препятствующих обводнению продуктивных горизонтов; создания высокопрочных мостов в скважине; изоляции поглощающих горизонтов; упрочнения стенок скважины в осыпающихся породах.
Для решения задач повышения качества цементирования скважин с учетом геологических условий применения необходимо проводить лабораторные исследования, моделирующие цементирование как продуктивных, так и вышележащих пластов, с целью изучения свойств тампонажного камня в зависимости от условий его формирования.
Объектом исследования выбран портландцемент ПЦТ 1-0-СС-11 - тампонажный, высокой сульфатостойкости, для низких и нормальных (15...50 °С) температур, бездобавочный, с нормированными требованиями при водоцементном отношении 0,44. Технологические свойства тампонажного раствора, приготовленного из марки цемента ПЦТ-1-О-СС-1, должны соответствовать ГОСТ 26798.2-96. Цементное тесто приготавливалось с использованием дистиллированной воды2 по методике, изложенной
1 См. ГОСТ 1581-96. Портландцемента тампонажные. Технические условия;
СТО Газпром 7.3-013-2014. Документы нормативные для строительства скважин. Тампонажные растворы. Методы испытаний;
ГОСТ 26798.1-96. Цементы тампонажные типов 1-О и 1-Н. Методы испытаний; ГОСТ 26798.2-96. Цементы тампонажные типов 1-О и 1-Н. Методы испытаний.
2 См. ГОСТ 6709-72. Вода дистиллированная. Технические условия.
в СТО Газпром 7.3-013-2014. Далее формировали тампонажный камень следующими шестью способами:
• в атмосферных условиях без контакта с породой пласта:
1) по методике ООО «Газпром ВНИИГАЗ» - твердение на воздухе;
2) согласно СТО Газпром 7.3-042-20163 -влажное твердение;
• в пластовых условиях по методикам ООО «Газпром ВНИИГАЗ»:
3) без контакта с породой пласта - твердение на воздухе;
4) без контакта с породой пласта - влажное твердение;
5) в контакте с породой пласта - твердение на воздухе;
6) в контакте с породой пласта - влажное твердение.
По истечении 30 ± 2 ч с момента затворения тампонажного раствора образцы-цилиндры извлекали из формы и оставшееся время (до 48 ± 2 ч) хранили либо на воздухе (твердение на воздухе), либо в эксикаторе, заполненном водой (влажное твердение). Исследования полученных образцов проводились при комнатной температуре. Исследовались:
• структура образцов (компьютерная рентгеновская томография);
• эффективная проницаемость образцов для газа азота;
• структура порового пространства (ртутная порометрия);
• минералогический состав (рентгенофа-зовый анализ);
• деформационно-прочностные свойства (изменения во времени в процессе твердения).
наличии и размерах каверн (остаточных пузырей) в структуре образцов.
Образцы тампонажного камня, сформированные в атмосферных и пластовых условиях без контакта с породой пласта (см. рис. 1 и 2), имеют каверны диаметром от 0,2...0,5
Рис. 1. Томограммы продольного (слева) и поперечного (справа) сечений образца тампонажного камня, сформированного в атмосферных условиях без контакта с породой пласта (твердение на воздухе)
Рис. 2. Томограммы продольного (слева) и поперечного (справа) сечений образца тампонажного камня, сформированного
в пластовых условиях без контакта с породой пласта (твердение на воздухе)
Томографические исследования структуры образцов тампонажного камня
Методом компьютерной рентгеновской томографии на компьютерном томографе керна РКТ-225 ПЛ проведены скрининговые исследования сформированных разными способами образцов тампонажного камня (рис. 1-3). С помощью качественного и количественного анализов сделаны выводы об относительной плотности материала образцов, а также
См. СТО Газпром 7.3-042-2016. Документы нормативные для строительства скважин. Тампонажные растворы. Методика определения газопроницаемости тампонажного камня.
Рис. 3. Томограммы продольного (слева) и поперечного (справа) сечений образца тампонажного камня, сформированного в пластовых условиях в контакте с породой пласта (твердение на воздухе)
до 1,5 мм. Образец тампонажного камня, сформированный в пластовых условиях в контакте с породой пласта (см. рис. 3), имеет однородную структуру.
Эффективная проницаемость образцов тампонажного камня для газа азота
Из образцов тампонажного камня (рис. 4), сформированных различными способами, изготовлены стандартные образцы длиной (L) и диаметром (D) приблизительно по 30 мм. Измерения эффективной проницаемости стандартных образцов для азота проводились на фильтрационной установке при эффективном давлении 19 МПа (перепад давления на образце составил 250 кПа). Измерения первого образца начаты спустя 48 ч после затворения цемента водой. За время измерений изменились его геометрические размеры (табл. 1): боковая поверхность приняла форму однополостного гиперболоида (рис. 5). В дальнейшем все измерения эффективной проницаемости образцов проводили по истечении не менее 7 сут с момента за-творения цемента.
Результаты измерения эффективной проницаемости образцов тампонажного камня для
Рис. 4. Образец тампонажного камня после извлечения из формы через 48 ч с момента затворения цемента
Рис. 5. Стандартный образец тампонажного
камня после измерения эффективной проницаемости при эффективном давлении 19 МПа
азота представлены в табл. 2. Образцы, сформированные при пластовых условиях в контакте с породой пласта (при влажном твердении и на воздухе), непроницаемы для азота при существующих на нефтегазоконденсатных месторождениях градиентах давления.
Таблица 1
Изменение параметров образца тампонажного камня при измерении фазовой проницаемости для азота при эффективном давлении
Параметр Исходное значение Конечное значение
L, мм 32,05 31,20
D, мм 29,05 29,00 (торцы образца); 28,20 (середина образца)
Плотность, г/см3 1,8282 1,9742
Таблица 2
Изменение во времени эффективной проницаемости образцов тампонажного камня для азота
Способ формирования Время с момента Эффективная проницаемость для азота, мД
тампонажного камня (см. ранее) затворения цемента, сут
9 2,0280
16 2,0690
1 21 2,0370
28 2,0290
41 1,9210
10 0,2930
15 0,3830
2 22 0,4070
29 0,4950
37 1,4440
51 1,6880
8 0,0360
16 0,2530
3 23 0,1440
29 0,1640
37 0,1730
49 0,1800
11 0,0000
18 0,0380
4 25 0,0026
32 0,0640
40 0,1950
53 0,1170
7 0,0008
5 14 0,0007
21 0,0007
28 0,0006
7 0,0000
6 14 0,0000
21 0,0000
28 0,0000
Структура порового пространства образцов тампонажного камня
Структура порового пространства образцов тампонажного камня исследовалась методом ртутной порометрии на ртутном пороме-ре AutoPore IV с рабочим давлением 60 тыс. psi (414 МПа), позволяющем определять объем пор в твердых материалах и распределение пор по размерам в диапазоне 360...0,003 мкм с помощью вдавливания ртути в поры образца под давлением.
Результаты экспериментального изучения пяти образцов тампонажного камня,
сформировавшегося в различных условиях, представлены на рис. 6-10 и в табл. 3. Исследование показало, что в целом все образцы обладают довольно высокой пористостью от 10,6 до 11,8 % и характеризуются однородным тонкопоровым строением.
Образцы, сформированные 1-м и 2-м способами, (см. табл. 3) обладают однородной структурой. При этом образец, сформированный в условиях влажного твердения (2-й способ), характеризуется более тонкопоровым строением. Средневзвешенный по объему пустотного пространства размер пор для условий
£ 60 S
I 50
-S
^ 40
30
20
10
N <N2 <Л ^
fS CS m 1Л \о 00
Диаметр пор, мкм
Рис. 6. Распределение пор по размерам в образце тампонажного камня, сформированного 1-м способом (см. ранее)
£ 80 S
g 70
§ 60 -S
50 40 30 20 10 0
" Г^-гЧ " " " " ------------
23 6
((NfNrO^in^OOl
Диаметр пор, мкм
Рис. 7. Распределение пор по размерам в образце тампонажного камня, сформированного 2-м способом (см. ранее)
0
^70
3 60
^50
40 30 20 10 0
го о о чр о о_ ^ ^ о_ го о_ о_ чр о_ ^ ^ <ч го ю со" ю ^^^ммт^люооо
Диаметр пор, мкм
Рис. 8. Распределение пор по размерам в образце тампонажного камня, сформированного 3-м способом (см. ранее)
^ 50
; 40
30
20
10
го о о ю <
> с^ го о о ю <
т \о
Диаметр пор, мкм
Рис. 9. Распределение пор по размерам в образце тампонажного камня, сформированного 4-м способом (см. ранее)
0
влажного твердения составляет 0,7 мкм, для условий твердения на воздухе - 3,54 мкм.
Образцы, сформированные в пластовых условиях (всесторонний обжим) без контакта с породой пласта (3-й, 4-й способы) обладают однородной структурой (см. табл. 3). При этом образец, сформированный в условиях влажного твердения (4-й способ), имеет более тонкопо-ровое строение. Средневзвешенный по объему пустотного пространства размер пор для условий влажного твердения составляет 0,42 мкм, для условий твердения на воздухе - 0,6 мкм.
Образец тампонажного камня, сформированный в пластовых условиях в непосредст-
венном контакте с керновым материалом и в условиях твердения на воздухе (5-й способ), обладает наиболее тонкопоровым строением (см. табл. 3). В поровом пространстве данного образца тампонажного камня содержится значительная группа ультратонких пор размером менее 0,32 мкм, составляющая 40 % от всего объема пор. В поровом пространстве других исследованных образцов поры размером менее 0,32 мкм отсутствуют.
Таким образом, изучение строения пустотного пространства образцов тампонажно-го камня, сформированных в различных условиях, показало, что наиболее тонкопоровым
£ 30 S
-S ^ 20
10
^O^T^^roO^m^OiN^iN^r^^roO^m^OiN^iN^r^^roO^m^OiN^iN^r^^roOOm^OO^iNOO^rOO
moo
> <N m о о ю <
(N m чо
I (NM ^ ^ 'Л Ю 00 I
Диаметр пор, мкм
Рис. 10. Распределение пор по размерам в образце тампонажного камня, сформированного 5-м способом (см. ранее)
и
Таблица 3
Результаты исследования структуры порового пространства образцов тампонажного камня
Способ формирования тампонажного камня (см. ранее) Пористость, % Диапазон изменения размеров пор, мкм Модальный размер пор, мкм Средневзвешенный по объему пустотного пространства размер пор, мкм
1 11,8 6,4...2,0 3,20 3,54
2 10,6 1,6...0,5 0,64 0,7
3 11,1 1,0.0,5 0,64 0,6
4 10,8 0,64.0,32 0,40 0,42
5 10,1 0,5.0,13 0,40 0,31
строением обладает образец, находившийся в процессе формирования в пластовых условиях в контакте с керновым материалом.
Фазовый состав цемента и образцов тампонажного камня
Фазовый состав портландцемента и образцов тампонажного камня определялся методом рентгеновской дифракции на дифрак-тометре ЛЯЬ Х'ТИЛ (СиКа-излучение, полупроводниковый 81 (Ы) детектор) согласно Л8ТМ С1365-064. Содержание кристаллических фаз рассчитывалось в программном комплексе 811щиаШ: 3.0 методом Ритвельда путем моделирования экспериментальной дифракто-граммы с наилучшим приближением «теория -эксперимент». Соотношение кристаллических и аморфных фаз в образцах оценивалось
4 Cm. ASTM C1365-06. Standard test method for
determination of the proportion of phases in Portland cement and Portland-cement clinker using X-Ray powder diffraction analysis.
по сумме интегральных интенсивностей кристаллических фаз и аморфной составляющей, в качестве стандарта истинного фона использовалась дифрактограмма исходного негидрати-рованного портландцемента.
Методом рентгеновской дифракции определен минеральный состав используемого портландцемента тампонажного марки ПЦТ Ю-СС1 (бездобавочный, с нормированными требованиями, водоцементное отношение 0,44, высокосульфатостойкий) (табл. 4). По минералогическому составу сульфатостойкий тампо-нажный цемент ПЦТ Ю-СС1 соответствует требованиям ГОСТ 1581-96.
В химии цемента термин «гидратация» означает все те изменения, которые происходят, когда безводный цемент или одну из составляющих его фаз смешивают с водой. Происходящие при этом химические реакции обычно более сложны, чем простые превращения безводных соединений в соответствующие гидраты [1].
X1
о4
CS «
S
s &
S
H о О
О
г(но)ю
хиКнвшЛоц
ОЭвЭ ХИЦ<пгб}[
'OÎS ïidBsrj
хинвж1у
ЕИГЯИсЬц
OSB3
XHdïftiJHy
9OzlV^D
ХШПШОШу
XHddsçp
'OTS^O типу
% 'вхнэиэЦ ийпшжй/ш чнэпэхэ
CS
vo
и 04 §
I а
MB
о Д
о
О
g « g Z
Л
ft g*?
es О
S ¡?
ft s « g
хЛэ 'книга шонжвноштех xornfeog
я <u
CS ft ю О
«
«
«
Методом рентгеновской дифракции определен фазовый состав образцов тампонажного камня, полученных при различных условиях (с учетом содержания аморфного вещества). Степень гидратации цемента определялась по изменению содержания фаз алита, белита, феррита, алюмината, являющихся основными клинкерными минералами, участвующими в реакции гидратации цемента (см. табл. 4).
Фазовые составы гидратных новообразований, формирующихся в процессе твердения различных образцов там-понажного камня, не имеют принципиальных отличий. В результате затворения портландцемента водой в качестве основных продуктов образуются портландит и C-S-H-гель, состоящий из аморфного или слабо закристаллизованного гидрата силиката кальция (см. табл. 4).
В образцах тампонажного камня, сформированных без контакта с породой пласта в атмосферных и барических условиях, диагностировано присутствие кальцита, образование которого происходит при взаимодействии портланди-та и других гидратных новообразований с атмосферным СО2. В образцах тампонажного камня, сформированных в барических условиях в контакте с породой пласта, новообразованная фаза кальцита отсутствует, что свидетельствует о высоком качестве тампонажного камня.
Соотношение кристаллических и аморфных фаз в образцах тампонажного камня, сформированных без контакта с породой пласта в атмосферных и барических условиях, зависит только от наличия влаги (влажное твердение), что способствует более глубокой гидратации цемента. Во время гидратации площадь поверхности твердой фазы значительно увеличивается, и на этой поверхности адсорбируется большое количество свободной воды. Если при гидратации нет поступления воды в цементное тесто извне, то вода затворения будет расходоваться только на реакцию гидратации. При этом ее количество уменьшится настолько, что ее будет недостаточно для насыщения поверхности твердой фазы, что приведет к уменьшению относительной влажности в цементном тесте (явление самовысушивания). Поскольку гель может образовываться только в пространстве, наполненном водой, то самовысушивание приводит к более низкой степени гидратации по сравнению с тестом, твердевшим во влажных условиях.
Все образцы тампонажного камня имеют одинаковое во-доцементное отношение и возраст от 84 до 96 сут, при этом наблюдается определенная закономерность: во всех образцах, полученных без контакта с породой пласта, степень гидратации цемента составляет 66.. .78 %, причем выше она в образцах, которые подвергались влажной выдержке. Степень гидратации алита для данной группы образцов составляет более 78 %, что согласуется с опубликованными научными данными: около 70 % алита обычно вступает в реакцию за 28 сут, и фактически весь минерал - за 1 год [1]. В образцах тампонажного камня, сформированных в присутствии породы пласта, степень гидратации цемента снижается до 54.60 %, причем алит вступает в реакцию только на 62.65 %, что
WS
"OTS'EO ™irag
можно объяснить нарушением водоцементного отношения из-за присутствия породы пласта.
По данным рентгенофазового анализа можно сделать заключение, что при формировании образцов тампонажного камня в барических и атмосферных условиях, а также в контакте и без контакта с породой пласта состав продуктов гидратации не меняется. Присутствие породы пласта исключает процессы карбонатиза-ции тампонажного камня. Контакт с породой пласта в процессе формировании тампонажно-го камня в основном влияет на глубину гидратации цемента вследствие нарушения водоце-ментного соотношения и на процессы кристаллизации при твердении тампонажного камня. Вероятно, при кристаллизации в барических условиях в контакте с породой пласта формируется более прочная пространственная структура за счет увеличения числа контактов между частичками. Для объяснения кинетики процесса гидратации и формирования свойств тампо-нажного камня в пластовых условиях в контакте с породой пласта необходимо провести дополнительные исследования.
Деформационно-прочностные характеристики образцов тампонажного камня
Основная задача данных экспериментальных исследований - сравнить динамику деформационно-прочностных свойств различных (см. ранее) образцов тампонажного камня. Испытания образцов на определение предела прочности на сжатие, модуля Юнга, коэффициента Пуассона и пластичности проводились в соответствии с ГОСТ 28985-915; определение их предела прочности на растяжение проводилось в соответствии с ГОСТ 21153.3-856 на модернизированном испытательном прессе ИП 6011-500-01 с наибольшей предельной нагрузкой 500 кН (50 т) и номинальной ценой единицы наименьшего разряда при индикации нагрузки 0,01 кН.
Пределы допускаемой погрешности при измерении нагрузки составляли ±1 % от измеряемой нагрузки. Номинальная цена единицы наименьшего разряда при измерении
5 См. ГОСТ 28985-91. Породы горные. Метод определения деформационных характеристик при одноосном сжатии.
6 См. ГОСТ 21153.3-85. Породы горные. Метод определения предела прочности при одноосном растяжении.
перемещения - 0,001 мм, пределы допускаемой абсолютной погрешности при измерении перемещения - ±0,002 мм при перемещениях до 12 мм. Измерения поперечной и продольной деформаций образцов проводились с помощью датчиков часового типа производства фирмы Mitutoyo с ценой деления 0,001 мм.
По каждой из перечисленных выше методик одновременно изготавливались партии из пяти-шести образцов. Поскольку 70 % прочности тампонажный камень достигает на 28-е сутки после затворения цемента водой, испытания образцов проводились в этот период, а именно: один образец из партии ис-пытывался на 3-тьи сутки после затворения, а последующие - на 7-е, 14-е, 21-е и 28-е сутки после затворения. На рис. 11, 12 представлены графические результаты деформационно-прочностных испытаний образцов тампонаж-ного камня, сформированных в атмосферных и пластовых условиях (влажное твердение и твердение на воздухе) без контакта с породой пласта, с образцами, сформированными в пластовых условиях в контакте c породой пласта (твердение на воздухе).
Образцы, сформированные в атмосферных условиях при твердении на воздухе и в присутствии влаги, достигали максимальной прочности на сжатие соответственно на 21-е и 14-е сутки, на растяжение - на 14-е и 21-е сутки с момента затворения портландцемента водой (см. рис. 11, 12). Дальнейшего повышения прочности на сжатие при влажном твердении не отмечено и, начиная с четырнадцатых-пятнадцатых суток с момента затворения портландцемента водой, образцы имели близкие значения прочности (25.30 МПа). Аналогичное сопоставление изменений во времени прочности на растяжение (см. рис. 12) подтвердило эти выводы: значения прочности на растяжение образцов, сформированных в условиях влажного твердения и твердения на воздухе, достигают максимальных значений (около 4 МПа) и близки на четырнадцатые-пятнадцатые сутки.
Испытания партии образцов, сформированных в условиях, моделирующих пластовые, без контакта с породой пласта при твердении на воздухе и в условиях влажного твердения, показали, что в этом случае максимальной прочности на сжатие и растяжение образцы, сформированные при твердении на воздухе, достигали на 14-е сутки с момента затворения портландцемента водой (см. рис. 11, 12).
Способ формирования тампонажного камня:
— атмосферные условия, без контакта с породой пласта, твердение на воздухе (1-й способ) атмосферные условия, без контакта с породой пласта, влажное твердение (2-й способ)
— пластовые условия, без контакта с породой пласта, твердение на воздухе (3-й способ)
— пластовые условия, без контакта с породой пласта, влажное твердение (4-й способ)
— пластовые условия, контакт с породой пласта, твердение на воздухе (5-й способ)
Рис. 11. Сравнительный анализ изменений во времени прочности на сжатие образцов тампонажного камня, сформированных разными способами (см. ранее)
Рис. 12. Сравнительный анализ изменений во времени прочности на растяжение образцов тампонажного камня, сформированных разными способами: см. экспликацию к рис. 11
Причем твердение на воздухе приводило к снижению прочности после 14 сут, а при влажном твердении прочность продолжала расти вплоть до 28-х суток и, возможно, далее.
Начиная с четырнадцатых-пятнадцатых суток после затворения портландцемента водой, дальнейшего повышения прочности на сжатие не было отмечено для образцов, сформированных в пластовых условиях
и в условиях влажного твердения без контакта с породой пласта, и образцы имели близкие значения (25.30 МПа) прочности (см. рис. 11). Значения прочности на растяжение образцов, сформированных в условиях влажного твердения и твердения на воздухе, оказались близкими (~ 4 МПа) уже на четырнадцатые-пятнадцатые сутки (см. рис. 12).
При формировании образцов тампонажно-го камня в пластовых условиях в контакте с породой пласта в период застывания цемента отмечено увеличение их прочности на сжатие с 20.25 до 100 МПа; прочность на растяжение возросла с 3.5 до 14 МПа.
Графики корреляции деформации и напряжения позволили рассчитать изменения модуля Юнга, коэффициента Пуассона (определен статическим способом) и коэффициента пластичности в зависимости от времени с момента затворения цемента водой для образцов, сформированных в пластовых условиях в контакте с горной породой (рис. 13). Пластичность увеличивается со временем, достигая значения 2,5 на 21-е сутки, а затем начинает снижаться. Следует отметить, что в целом пластичность тампонажного камня невысокая, так как чисто хрупкое разрушение образцов происходит, когда коэффициент пластичности равен единице. Аналогичным образом изменяются модуль Юнга и коэффициент Пуассона: они растут вплоть до 21-х суток с момента затворения цемента, а затем отмечается снижение их значений. Значения коэффициентов Пуассона в диапазоне 0,1.0,15 характерны для хрупких материалов.
Таким образом, сопоставление результатов испытаний на прочность образцов тампо-нажного камня, сформированных в различных условиях, показывает, что только при формировании тампонажного камня в условиях,
моделирующих пластовые, и в контакте с горной породой в условиях твердения на воздухе образцы тампонажного камня достигают наибольшей прочности приблизительно 100 МПа.
На основании комплексных экспериментальных исследований и сравнительного анализа свойств образцов тампонажного камня, сформированных различными способами из портландцемента ПЦТ 1-в-СС1, сделаны некоторые выводы.
1. Результаты скрининговых исследований образцов тампонажного камня методом компьютерной рентгеновской томографии (томограф РКТ-225 ПЛ) позволяют сделать вывод об относительной плотности материала образцов, наличии и размерах каверн в структуре образцов.
2. При существующих градиентах давления на нефтегазоконденсатных месторождениях образцы тампонажного камня, сформированные при пластовых условиях в контакте с породой пласта (при влажном твердении и на воздухе), непроницаемы для газа азота.
3. Изучение строения пустотного пространства образцов тампонажного камня, сформированных в различных условиях, показало, что наиболее тонкопоровым строением обладает образец, сформированный в пластовых условиях в контакте с породой пласта (твердение на воздухе).
4. По результатам изучения фазового состава исходного цемента и образцов
Рис. 13. Изменения во времени прочности на сжатие, упругих модулей и пластичности образцов, сформированных при моделировании пластовых условий
в контакте с горной породой
тампонажного камня методом рентгеновской дифракции на дифрактометре ARL X'TRA:
• определен фазовый состав исходного цемента и образцов тампонажного камня;
• выявлены новообразованные фазы в виде кальцита и портландита (CH) в тампо-нажных камнях, сформированных в атмосферных и пластовых условиях без контакта с породой пласта. В образцах тампонажного камня, сформированных в пластовых условиях в контакте с породой пласта, кальцит отсутствует, что свидетельствует о высоком качестве тампо-нажного камня;
• определена степень гидратации кристаллических фаз в образцах тампонажного камня: 54.60 % для образцов, сформированных в пластовых условиях в контакте с породой пласта, против 66.78 % для остальных образцов;
• для объяснения кинетики процесса гидратации и формирования свойств тампонаж-ного камня в пластовых условиях в контакте с породой пласта вследствие нарушения водоцементного соотношения необходимо провести дополнительные исследования.
5. Сравнение изменений во времени деформационно-прочностных свойств различных образцов тампонажного камня показало, что:
• образцы, сформированные в атмосферных и пластовых условиях (твердение влажное
на воздухе) без контакта с породой пласта, достигают максимальных значений прочности (25.30 МПа) на 14-е.. .15-е сутки и в дальнейшем меняются лишь незначительно, имея близкие значения прочности;
• значения прочности на растяжение образцов, сформированных в условиях влажного твердения и твердения на воздухе, почти сравниваются уже на 14-е.15-е сутки (~ 4 МПа) и в дальнейшем также слабо меняются;
• только при формировании тампонажного камня в условиях, моделирующих пластовые, в контакте с породой пласта с последующим твердением на воздухе он достигает наибольшей прочности ~ 100 МПа. Время роста прочности составляет от 14 до 21 сут;
• полученные значения коэффициента Пуассона 0,10.0,15 характерны для хрупких материалов, пластичность тампонажного камня невысокая, коэффициент пластичности не превышает 2,5.
6. Для обоснования технических решений при строительстве скважин в различных горногеологических условиях целесообразно учитывать весь комплекс проведенных исследований.
Список литературы
1. Тейлор X. Химия цемента / Х. Тейлор; пер.
с англ. - М.: Мир, 1996. - 560 с.
Comparative analysis of properties of the grout samples formed in various ways from the I-G-CC1 portland cement
A.F. Sokolov1*, V.S. Zhukov1, S.G. Rassokhin1, V.M. Troitskiy1, A.V. Mizin1, V.P. Vankov1, A.Ye. Alemanov1,
0.M. Monakhova1, Ye.O. Semenov1, O.V. Iselidze1, O.G. Mikhalkina1, V.A. Konovalov1, T.A. Perunova1
1 Gazprom VNIIGAZ LLC, Bld. 1, Estate 15, Proyektiruemyy proezd no. 5537, Razvilka village, Leninskiy district, Moscow Region, 142717, Russian Federation * E-mail: AF_Sokolov@vniigaz.gazprom.ru
Abstract. The article reveals the results of the complex comparative tests of the standardized grout samples made of the portland cement I-G-CC1. Behavior of the prepared grout samples has been tested both in the atmospheric and in the modelled in-situ conditions in accordance with the legal standards of various measurement techniques, namely: mercury injection (pore size distribution); X-ray diffraction analysis (phase composition of the initial cement and the grout-stone samples); monoaxial compression and extension (dynamics of the stress-strain behavior of the grout and its referencing with the real properties of rocks from the productive horizons); computer tomography (visualization of the inner structure of the grout material and determination of its density).
Theses complex measurements enable testing of different suggested grouting mortars before they are applied for real geological conditions of hydrocarbon fields, and are aimed at improving of well completion quality.
Keywords: grouting mortar, computer tomography, efficient permeability, mercury injection porosimetry, X-ray diffraction analysis, stress-strain behavior.
References
1. TAYLOR, H.F.W. Cement chemistry [Khimiya tsementa]. Translated from English. Moscow: Mir, 1996. (Russ.).
