Промывочные жидкости и растворы - Свойства цементных растворов и их регулирование

Свойства цементных растворов и их регулирование

 

В практике бурения одна из исходных (обычно задаваемых) характеристик цементного раствора — водоцементное отноше­ние. В зависимости от геолого-технических условий и техноло­гии работ водоцементное отношение колеблется в пределах от 0,4 до 0,65. В указанных пределах цементные растворы подвиж­ны и удовлетворительно перекачиваются насосами.

В полевых условиях определяют плотность (или ею задают­ся), растекаемость, сроки схватывания, водоотдачу. В лабора­торных условиях дополнительно измеряют консистенцию и за-густевание при непрерывном перемешивании, структурную вяз­кость и динамическое напряжение сдвига, пластическую проч­ность (для гидравлических расчетов), седиментационную устой­чивость.

Для тампонажных растворов, состоящих только из воды и обычного портландцемента, нормальные свойства находятся в пределах: плотность 1,75—1,95 г/см3, растекаемость 18—25 см, сроки схватывания: начало — до 5,5 ч, конец схватывания — до 8 ч (при В/Ц = 0,4), водоотдача —до 300 см3. Консистенция 15 — 20 усл. ед., структурная вязкость 0,04—0,08 Па•с, динамическое напряжение сдвига 6—12 Па, седиментационная устойчивость до 2,5%.

Необходимо указать на свойство цементных растворов изме­нять свои параметры на контакте с промывочной жидкостью в скважине при цементировании. Особенно значительно меняются свойства на контакте с глинистыми растворами. При этом могут образоваться густые пасты, вязкость которых в десятки и сотни раз больше вязкости исходных компонентов, что приводит к увеличению давления при цементировании и ухудшению каче­ства работ. Величина зоны загустевания раствора определяется составом компонентов и условиями цементирования. По мере движения сгустившейся смеси наблюдается ее разжижение, скорость которого обусловлена составами цементного раствора и промывочной жидкости. Наименьшая скорость разжижения при наличии в растворах полимеров, наибольшая — в присутст­вии ПАВ и нефти.

Для оценки возможности и характера загустевания в сква­жине цементного раствора с промывочной жидкостью готовят наиболее густую смесь и определяют ее растекаемость. Если последняя менее 16—18 см, необходимо при возможности изме­нить состав цементного раствора, взять другой цемент, напри­мер шлаковый, или комбинировать другие компоненты. Если растекаемость увеличить не удалось, рекомендуется применять буферную жидкость для разделения цементного раствора и про­мывочной жидкости.

Все свойства цементных растворов в широких пределах ре­гулируются содержанием и составом твердой фазы. Использу­ются смеси цементов, добавки других вяжущих веществ, глин, химических реагентов, минеральных и органических наполни­телей. Добавки этих веществ изменяют и свойства цементного камня. Характер действия веществ, используемых для регулиро­вания свойств цементных растворов, остается в целом аналогич­ным и для других тампонажных составов, содержащих цемент в качестве составляющей твердой фазы.

Регулирование плотности цементного раствора заключается в уменьшении его плотности путем: 1) увеличения водоцементного отношения; 2) введения в раствор добавок, требующих по­вышенных количеств воды; 3) введения добавок (наполнителей), имеющих меньшую плотность, чем цемент; 4) аэрации. Утяжеление цементных растворов осуществляется введением утяжеляющих добавок.

Увеличением водоцементного отношения плотность цементно­го раствора может быть изменена в относительно небольших пределах, так как при этом резко ухудшается седиментацион­ная устойчивость, растут водоотдача и сроки схватывания. Так, при увеличении водоцементного отношения с 0,45 до 0,6 при плотности цемента 3,1 г/см3 плотность цементного раствора уменьшится всего на 0,17 г/см3.

Введение добавок, требующих повышенного содержания во­ды в растворе, позволяет регулировать плотность цементного раствора в более широких пределах, так как водоцементное от­ношение можно повысить до 0,8. В качестве таких добавок наи­более распространены глины, особенно высококачественные.

При помоле неорганических облегчающих добавок плотность цементного раствора может быть уменьшена до 1,3 г/см3. Орга­нические наполнители используются в основном как закупори­вающий материал при цементировании зон поглощений. Так как концентрация наполнителей в растворе невелика (до 5%), существенного понижения плотности при их введении добиться не удается.

Аэрация цементных растворов проводится при цементирова­нии поглощающих интервалов и реализуется компрессорным методом, путем взрыва заряда взрывчатого вещества в сква­жине в растворе, введением в раствор перед закачкой порошка алюминия. Аэрацией можно в широких пределах регулировать плотность цементных растворов.

Регулирование сроков схватывания цементных растворов за­ключается как в их уменьшении, так и в их увеличении. К со­кращению сроков схватывания стремятся при цементировании поглощающих зон, а также с целью уменьшения времени на ожидание затвердения цементного раствора в случаях, когда это не приводит к значительному уменьшению прочности цементно­го камня.

Замедлители схватывания приходится добавлять, когда есть опасение, что раствор начнет загустевать до окончания закачки. Это может быть обусловлено составом цементного раствора, а также повышенными температурой и давлением.

Увеличение содержания активной твердой фазы приводит к значительному уменьшению сроков схватывания. Однако воз­можности здесь ограничены, так как при этом резко возрастают реологические показатели, уменьшается растекаемость и раст­вор может оказаться непрокачиваемым.

В некоторых пределах можно уменьшать и увеличивать сро­ки схватывания, подбирая смеси цементов. Так, смеси портланд­цемента с глиноземистым, а особенно с гипсоглиноземистым, дают ускоренно схватывающиеся растворы, а добавки шлаковых цементов уменьшают сроки схватывания. Значительно снижают­ся сроки схватывания цементных растворов при добавках гипса (алебастра). При этом резко уменьшаются растекаемость и прочность цементного камня, особенно в начальный период твер­дения. Увеличивая содержание гипса, можно получить быстро-схватывающуюся смесь.

Регулирование водоотдачи обычно сводится к ее уменьше­нию, для чего используются добавки глины и органических ре­агентов. Повышенная водоотдача цементного раствора может привести к осложнениям в процессе цементирования, так как при обезвоживании состава ухудшается прокачиваемость рас­твора и растет давление в насосах.

Регулирование реологических показателей также заключа­ется в их снижении путем введения пластификаторов и реаген­тов-стабилизаторов. Эта задача особенно актуальна при исполь­зовании растворов с повышенным содержанием твердой фазы и уменьшенными сроками схватывания.

Регулирование коррозионной стойкости сводится к введению высокомолекулярных добавок (КМЦ, гипана, ПАА) в портланд-цементы, что уменьшает скорость выщелачивания извести. Шла­ковые цементы характеризуются низким содержанием извести, поэтому выщелачивание извести из них понижено. Для умень­шения сероводородной агрессии ограничивается содержание в цементе окислов железа, марганца и других металлов. Умень­шение до 5% трехкальциевого алюмината ограничивает суль­фатную агрессию.

В пластовых водах с высоким (более 1000 мг/л) содержани­ем ионов магния стойкость цементного камня повышается, если использовать смесь портландцемента и доменного шлака гру­бого помола в соотношении от 1 : 1 до 1 :3.

 Регулирование объемных изменений при твердении достига­ется добавками расширяющегося цемента и сводится к сохра­нению и некоторому увеличению объема цементного камня. Расширение цементного камня в процессе твердения способству­ет уплотнению глинистой корки на стенках скважины и повы­шению надежности герметичности затрубного пространства. Оп­тимальным считается расширение 1—2%.