Эффективности использования тампонажных материалов с полыми алюмосиликатными микросферами для скважин с интервалами мерзлых горных пород

Традиционные технологии крепления скважин, применяемые на месторождениях, характеризующие наличие в геологическом разрезе мерзлых горных пород (МГП), не всегда обеспечивают надежного разобщения пластов.

Использование тампонажных композиций для цементирования скважин в сложных термобарических условиях требует в свою очередь применения специальных химических веществ – химреагентов, с помощью которых регулируют свойства и параметры тампонажного раствора и камня.

Цементирование скважин представляет собой процесс заполнения заданного интервала заколонного пространства суспензией вяжущих материалов, способной твердеть и превращаться в практически непроницаемый камень. Наличие в геологическом разрезе месторождений Крайнего Севера интервалов залегания МГП обуславливает возникновение в скважинах специфических осложнений. Эти осложнения выражаются в приустьевых обвалах горной породы, недоподъ-еме тампонажного раствора до устья скважин, смятии обсадных труб при обратном замерзании. Возможные осложнения при креплении скважин в интервалах залегания МГП. Кавернообразова-ние является одной из причин недоподъема тампонажного раствора до устья за обсадными колоннами перекрывающими криолитозону. Практически невозможно обеспечить полное замещение буровой промывочной жидкости в каверне тампонажным раствором, даже в случае подъема его до устья скважины. Он в дальнейшем оседает в нижней части каверны, в то время как промывочная жидкость перемещается вверх.

В процессах взаимодействия тампонaжных портландцементов с водой возможны реакции трех типов: реакция гидратации – присоединение воды; реакция гидролиза – разложения водой; реакция гидротермального синтеза.

Известно, что скорость схватывания тампонажного раствора зависит от температуры среды. Если при темперaтуре минус 20С твердение цементного раствора происходит достаточно интенсивно, степень гидратации составляет 18,6 – 20%, то при температуре минус 50С степень гидратации снижается до 7,6%.

Замедление скорости химических процессов, интенсивности твердения, формирование менее плотной структуры при температуре окружающей среды ниже 00С приводит к недобору прочности цементного камня.

Тампонажный раствор и камень в интервале МГП подвергается действию отрицательных температур в различные периоды твердения. Чем раньше произошло замерзание раствора, тем значительнее ухудшаются свойства камня, полученного из этого раствора. Так исследования показали, что если тампонажный раствор замерзает до начала схватывания, то в образце цементного камня образуются прожилки льда шириной 0,001–1,0 мм и длиной 0,1–40 мм. При этом исходный объем цемента увеличивается до 5%. Это приводит к значительному нарушению структуры цемента, так как образующиеся прожилки льда раздвигают частицы цемента, уменьшая площадь их контактного взаимодействия. В результате прочность на изгиб составляет не более 10–15% от прочности образца нормального твердения.

Если замерзание тампонажного раствора происходит медленно, то при воздействии на него низких температур процесс гидрaтации цемента резко замедляется, что приводит к интенсификации процесса седиментaции. Свободная вода затворения в процессе седиментации стремится занять положение на поверхности системы, образуя в поровом пространстве многочисленные фильтрационные потоки. В результате за верхними обсадными трубами рaсполагается вода, а в формирующемся тампонажном камне образуются продольные каналы, поперечные трещины заполненные водой («водяные пояса»).

Важнейшим фактором, влияющим на прочность камня при раннем замораживании, является величина водоцементного отношения. Установлено, что с увеличением водоцементного отношения (от 0,44 до 0,82) при замерзании раствора резко возрастает интенсивность образования прожилок льда (от 0,68 до 28,3 мм2 на 1 см2 образца). Чем меньше водосодержание, тем при меньшей степени гидратации образуется структура с малой капиллярной пористостью. Однако понижение водосодержания в составе тампонажного раствора приводит к понижению его подвижности. В целях обеспечения требуемой подвижности необходимо использовать пластифицирующие добaвки.

Алюмосиликатные полые микросферы (АСПМ) получают из водной суспензии золы, образующейся при водном осаждении продуктов сжигания каменного угля из отводимого с ТЭЦ печного газа. АСПМ выпускаются по ТУ 21-2237-94 и представляют собой правильные сферы со сплошными непроницаемыми стенками, внутренняя полость которых заполнена азотом и двуокисью углерода. По химическому составу оболочки микросферы представляют собой в основном окислы алюминия и кремния в сочетании с небольшими количествами окислов железа, кальция, магния, натрия и др. Благодаря такому составу оболочки АСПМ могут участвовать в формировании структуры цементного камня и способствуют дополнительному повышению его прочности.

Преимущества использования микросфер как наполнителя для облегченного тампонажного раствора: сферическая форма, низкая плотность, инертность, теплопроводность, высокая температура плавления, твердость.

Сферическая форма означает, что для увлажнения поверхности наполнителя потребуется меньше смол, воды, чем для любого другого формового наполнителя.

Сферические наполнители характеризуются высокой растекаемостью, так что их легко нагнетать насосом. Сферические наполнители снижают усадочную деформацию не только потому, что позволяют использовать более низкое содержание цемента, но и непосредственно благодаря своей форме. При высокой концентрации сферы уплотнены, но дальнейшего уплотнения не происходит, как это может случиться с наполнителями неправильной формы в процессе усадки цемента, а также испарения жидкости затворения. Таким образом, использование сфер способствует сохранению объема исходной продукции и, следовательно, они являются отличными наполнителями.

Возможность снизить удельный вес цементного раствора до 1,1-1,4 г/см3 и как следствие: снижение репрессии на продуктивный пласт, снижение проникновения фильтрата в продуктивную зону пласта, обеcпечение заданной высоты подъема цемента.

Алюмосиликатные микросферы обладают очень низкой реакционной способностью. Их химический состав обеспечивает высокую устойчивость к кислотам и щелочам. Они pH-нейтральны и не влияют на химический состав или реакции материалов, в которых они используются.

Микросферы имеет низкую теплопроводность порядка 0,1 Вт/м•К. Является хорошим термоизолятором.

Микросфера имеет высокую температуру плавления порядка 1200-1600 0С, что значительно выше, чем температура плавления микросфер из синтетического стекла.

Твердая поверхность микросфер обеспечивает их высокую устойчивость к эрозии. Стекловидная оболочка микросферы полностью непроницаема для жидкостей и газов.

Для сравнения тампонажного раствора с АСПМ, были выбраны: облегченный тампонажный раствор «Гельцемент» (ПЦТ II-50 86%, глинопорошок 14%); облегченный тампонажный рaствор на основе без-гипсового портландцемента – низкотемпературный, седиментационноустойчивый, безусадочный (ЦНУБ) (сырьевая смесь совместного помола клинкера тампонажного портландцемента и продукта обжига твердого остатка содового производства в соотношении 9:1).

Сравнение производилось по параметрам цементных растворов:

прочность, водоотдача, растекаемость, сроки схватывания тампонажного раствора, морозостойкость.

Облегченный тапонажный раствор из ПЦТ II-50 и глинопорошка.

Преимущества: доступный; используется недорогая облегчающая добавка – глинопорошок.

Недостатки: не подходит для крепления скважин с МГП; большая водоотдача; большие сроки схватывания; плохая прочность цементного камня; практические нераcширяемый; неморозостойкий.

Облегченный тампонажный раствор на основе безгипсового портландцемента – низкотемпературный, седиментационно-устойчивый, безусадочный (ЦНУБ).

Преимущества: лучшая прочность цементного камня, из представленных тампонажных растворов; лучше растекаемость; морозостойкий.

Недостатки: усложнение процесса производства безгипсового портландцемента; больше время схватывания по сравнению с раствором АСПМ; удорожание тампонaжного раствора за счет облегчающей добавки – цеолита; широко не применяется.

Облегченный тампонажный раствор с полыми алюмосиликатными микросферами (АСПМ).

Преимущества: малое водоотделение; хорошая расширяющая способность; наименьшие сроки cхватывания; удовлетворительная прочность цементного камня; морозостойкий; не требует дополнительного оборудования для прокачки цемента в заколонное пространство; широко применяется другими компаниями для крепления скважин в районах распространения МГП.

Недостатки: дорогой по сравнению с гель-цементом, за счет облегчающей добавки – АСПМ; проблемы интерпретации результатов акустической цементометрии, в виду того, что генерирующие прибором звуковые волны гасятся микросферами.

По результатам проведенного анализа можно прейти к выводу, что более эффективно применять облегченный тампонажный рaствор с АСПМ, который имеет характеристики, соответствующие для крепления скважин в зонах МГП.