Новый подход для определения тампонирующей способности формирующегося цементного камня

Статья посвящена разработке методики оценки тампонирующей способности формирующегося цементного камня. На основании анализа научно-литературных материалов перечислены критерии, на которые ориентировались специалисты в различные периоды времени при проектировании рецептур растворов, обладающих повышенной изоляционной способностью. В качестве параметра, характеризующего тампонирующую способность, предложен коэффициент фильтрации, равный отношению расхода газа через формирующееся цементное тесто к давлению на входе в рабочий цилиндр. Показаны условия, которые необходимо соблюдать при проведении сравнительных лабораторных испытаний. Предложен новый подход для оценки критического момента времени, который характеризуется тем, что усадочная вяжущая система заканчивает отслаиваться от ограничивающей поверхности, что приводит к ухудшению герметичности на контакте цемента с внешней стенкой.

Миграция пластового флюида в кольцевом пространстве является серьезной проблемой при строительстве и эксплуатации скважин. Проблемы, связанные с герметичностью крепи скважины, обостряются из-за стремительного увеличения количества наклонно-направленных и горизонтальных скважин. По данным [1], количество горизонтальных скважин от общего количества новых эксплуатационных скважин за период с 2013 по 2018 годы выросло с 20 до 43 %. При этом доля скважин с серьезными нарушениями герметичности, значимыми для производственных показателей, может составлять от 40 до 80 % от общего фонда скважин [1].

Миграция пластового флюида по зацементированному кольцевому пространству может наблюдаться непосредственно при закачке тампонажного раствора в кольцевое пространство, при формировании цементного камня (переходный период из жидкого состояния в твердое), в долгосрочном периоде после схватывания цементного теста. В каждом из перечисленных периодов различные причины возникновения негерметичности крепи скважины.

Начиная с 70-х годов прошлого века активно разрабатывались испытательные стенды для оценки способности формирующегося цементного камня сопротивляться проникновению пластового флюида. В работе [2] авторами рассмотрены различные методы определения тампонирующей способности цементных растворов. Необходимо отметить, что сегодня отсутствует стандарт, общепринятая методика, направленные на определение способности цементного раствора контролировать миграцию пластового флюида.

В настоящее время также отсутствует единый параметр, который однозначно бы характеризовал тампонирующую способность цементных растворов. Отечественными учеными в качестве такого параметра предлагается использовать:

– проницаемость столба тампонажного раствора в различные периоды времени после оставления его в покое [3–4];

– максимальный относительный перепад пластовых давлений (Км), при котором отсутствуют перетоки жидкости через столб тампонажного раствора [5–6];

– максимальный коэффициент аномальности пластового давления (Ка), при котором отсутствуют перетоки жидкости через столб тампонажного раствора [7–9];

– показатель начала фильтрации (f), который соответствует величине снижения порового давления [10–11].

Оценка перечисленных параметров весьма затруднительна, поскольку требует проведения многочисленных лабораторных испытаний с разными пластовыми давлениями.

Иностранные ученые акцентируют внимание на таких параметрах, как:

– характер изменения порового давления тампонажного раствора во времени [12–23];

– газопроницаемость цементного геля в процессе гидратации [13–20, 24–25];

– величина снижения объема цеметного геля в процессе гидратации [22].

На сегодняшний день не установлена четкая связь между перечисленными параметрами и тампонирующей способностью, а величина газопроницаемости в случае несформировавшегося цементного камня сильно зависит от создаваемого перепада давления.

Настоящая работа посвящена разработке методики оценки тампонирующей способности формирующегося цементного камня с использованием стандартного оборудования, которое применяется при проектировании рецептур тампонажных растворов, с той целью, чтобы разработанный подход получил широкое распространение без значительных материальных вложений.

Коэффициент фильтрации

Определение коэффициента проницаемости столба цементного теста затруднительно из-за сложности оценки влияния капиллярной жидкости в структуре формирующегося цементного камня. В качестве параметра, характеризующего тампонирующую способность, предложен коэффициент фильтрации (C), равный отношению расхода газа (Q) через формирующееся цементное тесто к давлению на входе в рабочий цилиндр (P):

Из выражения (1) видно, что чем меньше расход газа на выходе из рабочего цилиндра при фиксированном давлении на входе, тем меньше расчетное значение коэффициента фильтрации. Исследуемый состав будет обладать лучшей тампонирующей способностью при меньшем значении коэффициента фильтрации при равных условиях сравнительных испытаний.

На значение коэффициента фильтрации оказывают влияние герметичность контакта формирующегося камня с ограничивающей поверхностью и герметичность формирующейся структуры цементного камня. Поскольку коэффициент фильтрации не учитывает габариты рабочего цилиндра, материал, способ обработки поверхности рабочего цилиндра и объем исследуемой жидкости, то именно эти параметры необходимо фиксировать при проведении сравнительных испытаний. Схема испытательного стенда показана на рисунке 1.

Результаты определения коэффициента фильтрации цементного раствора плотностью 1900 кг/м3:100 % ПЦТ-I-G + 3 % CaCl2(пвц) представлены в таблице 1.

Из представленных данных видно, что в момент времени после приготовления цементного раствора наблюдается максимальное отфильтровывание жидкости затворения. При этом на выходе мы получаем уплотненную цементную корку, которая снижает коэффициент фильтрации, что может создавать дополнительную погрешность, связанную с кольматацией фильтрующего элемента.

При выдержке цементного раствора в течение 30 минут зафиксирован разрыв слабой, несформировавшейся структуры цементного теста (рисунок 2). Больше половины жидкости затворения оказалась связанной. Данный момент времени нельзя считать критическим, несмотря на разрыв слабой, несформировавшейся структуры, поскольку поровое давление, создаваемое столбом цементного раствора, в данном случае из-за наличия несвязанной жидкости не будет снижаться до своего минимального значения.

Проведенные испытания показали, что для базового состава наиболее опасный (критический) момент возникает при времени выдержки цементного теста в покое в течение 75 минут, при котором коэффициент фильтрации достигает своего максимального значения. В данный момент времени наблюдается отслоение цементного теста от внешней стенки, что связано с химической усадкой формирующегося цементного камня. На рисунке 3 видны зазоры по периметру образца в рабочем цилиндре.

Поскольку проведение многочисленных испытаний для определения критического момента времени исследуемого состава, при котором коэффициент фильтрации достигает своего максимального значения, затруднительно, была поставлена задача поиска альтернативного метода определения критического момента времени.

Критический момент времени

Для относительно быстрой оценки критического момента времени был предложен метод гидростатического взвешивания, описанный авторами в работе [26].

Читать полностью