Файл: Вязельщиков В.М. Барханный песок как промышленное сырье при цементировании скважин.pdf

для чистого цемента и цемента с добавкой песка до 20 процентов принималось равным 0,5. При больших дозах песка. В/Ц подбиралось таким образом, чтобы растекае* мость растворов находилась в пределах 17— 18 см. Из­ влеченные из форм цементные образцы охлаждались до комнатной температуры и испытывались на проницае­ мость. Предварительного просушивания образцов до по­ стоянного удельного веса не производилось для сохране­ ния естественного состояния цементного камня в сква­ жине. .

Как видно из приведенных данных, проницаемость в общем случае при прочих равных условиях зависит от времени твердения цементного раствора.

Рис. 3. Проницаемость и пористость песчанистого цемента

25

Добавки барханного песка в тампонажный цемент уменьшают проницаемость материала. Так в образцах двухсуточного возраста при содержании песка в цемен­ те до 45—50 процентов (от веса смеси) проницаемость равна исходной проницаемости чистого цемента. Наи­ меньшие значения проницаемости (0,0142—0,015 миллидарси) имеют цементно-песчаные образцы с добавкой барханного 30—40 процентов песка. Проницаемость об­ разцов с песком из районов Вышки при добавках, боль­ ших 55 процентов, несколько ниже, чем проницаемость аналогичного песчанистого цемента, содержащего бар­ ханный песок с площади Котур-Тепе. В первую очередь это объясняется уменьшенной водопотребностью более крупнозернистого песка с Вышки.

Применяющийся тампонажный цемент удовлетворял требованиям ГОСТа 1581—42 (цемент для «холодных» скважин Кувасайского и Вольского заводов).

Снижение проницаемости от добавок песка происхо­ дит как за счет улучшения структуры цементного камня, так и за счет ухудшения смачивания гидрофильной по­ верхности кварца, составляющего в песке 60—65 про­ центов. Улучшение структуры песчанистого цемента до­ стигается уменьшением общей пористости по сравнению с пористостью чистого цемента.

Известно, что в породе, сложенной зернами разного размера, мелкие частицы будут заполнять поры, образо­ ванные крупными частицами. Это приводит к уменьше­ нию пористости, которая будет зависеть от соотношения этих частиц. Если в мелкозернистый цемент добавлять более крупнозернистый барханный песок, то он займет объем порового пространства между мелкозернистыми частичками и, следовательно, уменьшит пористость ма­ териала. Средний размер частиц цементного порошка

26

составляет 10 — 100 микрон, а средний диаметр зерен барханного песка 0,15—0,056 мм.

При увеличении количества крупнозернистых частиц пористость будет уменьшаться, пока количество мелко­ зернистых частиц не станет таким, какое необходимо для заполнения пор между крупными частицами. При этом пористость будет минимальной. Общая пористость пес­ чанистого цемента двухсуточного возраста значительно ниже пористости «чистого» цемента (рис. 3). Наимень­ шую пористость равную 13—18 процентам имеет цемен­ то-песчаный камень с содержанием песка, в пределах 30—40 процентов — пористость снижена в 2,2 раза по сравнению с пористостью цемента без добавок наполни­ теля. При увеличении песка до 55—60 процентов пори­ стость повышается, оставаясь тем не менее ниже пори­ стости «чистого» цемента.

Между коэффициентом и общей пористостью песчани­ стого цемента двухсуточного возраста (содержащего от 0 до 60 процентов барханного песка) удалось установить зависимость, выражающуюся следующей формулой:

Кпр. = 0.001 [1,02ХП — 1.382 + / 1 0 ,78 X Ппр. - 190].(L)

где Кпр- — проницаемость в миллидарси; II — общая пористость в процентах от объема образца.

Подкоренное выражение в приведенной формуле имеет знак (—) , если цементный образец содержит от 0 до 35 процентов песка и знак ( + ), если песка содержится от

35до 60 процентов.

Поскольку проницаемость тампонажного материала

является одним из основных показателей долговечности цементного кольца в скважине, для дополнительной ха-* рактеристики этого фактора был применен косвенный метод' исследования,' заключающийся в визуальном на­

27.

емости) твердели все­ го 20 часов при темпе­ ратуре 50°С, полчаса охлаждались до ком­ натной температуры,

28

никла через образец, было наименьшим у чистого це­

центов песка, оказались более стойкими к принудитель­ ному продвижению воды; через них вода смогла про­ сочиться только через 55 минут.

“Как можно заметить из сравнения данных этого на­ блюдения и значений коэффициента проницаемости, — время прохождения воды через образцы песчанистого цемента различного состава находится в обратной зави­ симости от коэффициента проницаемости.

Цемент, создающий меньшее сопротивление для перетрра жидкости (с небольшим временем прохождения воды) имеет проницаемость выше, чем цемент, у которо­ го время продвижения жидкости через образец более ве­ лико. Примечательно, что образцы с содержанием песка 25 т-t- 40 процентов имеют наименьшую проницаемость и наибольшее время для продвижения через них воды.

Этот метод, определяющий устойчивость цементного материала к проникновению воды, косвенно характери­ зует проницаемость и может использоваться для срав­ нительной оценки тампонажных материалов в условиях промысловых лабораторий. Его основные достоинства: простота прибора, несложность оборудования и воз­ можность изготовления в мастерских, достаточная точ­ ность сравнительных результатов.

Для выбора состава песчанистого цемента, имеющего наименьшую проницаемость в условиях повышенных температур, проводились испытания с образцами, твер­ девшими двое суток в водной среде с температурой 90°С и 130°С при давлении 300—400 атм. Для создания таких условий твердения, приближенных к забою глубокой вы­ сокотемпературной скважины, использовался автоклав

29

конструкции ГрозНИИ. Данные испытаний приводятся в таблице 2.

Т а б л и ц а 2

Повышение температуры твердения песчанистого цемента до 90°С и особенно до 130°С значительно снижа­ ет его проницаемость. В этом случае оптимальная доза песка в цементе, в присутствии которой песчанистый це­ мент имеет низшую проницаемость, значительно увели­ чивается. При температуре твердения 90°С проницае­ мости цементного камня состава 50x50% ниже проница­ емость «чистого» цемента на 26 процентов, а при темпе­ ратуре 130°С составы 50X50% и 30Х70°/о (соотношение цемента и песка) практически непроницаемы. Коэффи­ циент проницаемости «чистого» цемента при темпера¥у­

30

ре твердения выше 100°С значительно увеличивается и измеряется в десятых долях миллидарси.

Исследованиями, проведенными в научных организа­ циях СССР и за рубежом, установлено, что при повы­ шенной температуре кварцевая часть песка не является инертным наполнителем, а химически взаимодействует с материалом цемента (гидроокисью кальция), образуя тоберморитовую группу силикатов гидратов кальция. Эта составляющая цементного камня обеспечивает низ­ кую проницаемость и высокую прочность на сжатие при повышенной температуре, является лучшей цементирую­ щей фазой, чем двукальциевый силикат альфа-гидрат, образующийся при твердении чистого цемента.

ВЛИЯНИЕ ПЛАСТОВЫХ ВОД НА ЦЕМЕНТНО-ПЕСЧАНЫЙ КАМЕНЬ

Цементный материал в затрубном пространстве сква­ жины находится в окружении водной минерализованной среды, какой являются пластовые воды по разрезу ствола.

Соли, содержащиеся в пластовой воде, взаимодейст­ вуя с цементом, ведут к тем или иным качественным из­ менениям, нередко приводя к полному разрушению це­ ментного камня. Негерметичность затрубного простран­ ства требует проведения ремонтных работ, что, конечно, удорожает стоимость эксплуатации.

Подземные воды, насыщающие горные породы, отли­ чаются количественным и качественным составом раст­ воренных в них солей.

Количественный состав солей в воде выражается гра­ дусами Боме (Бе°). Бе° — величина, показывающая про­ центное содержание поваренной соли в воде.

31.

Формой выражения качественного солевого состава вод является количество ионов каждого из элементов, слагающих соли, выраженное в милиграмм-эквивален- тах или грамм-эквивалентах, находящихся в одном лит­ ре пластовой воды. Грамм-эквивалент есть весовое коли­ чество элемента (выраженное в граммах), которое сое­ диняется е восемью весовыми частями кислорода, либо с одной весовой частью водорода.

Для общего представления о водах, насыщающих породы по разрезу скважин, приводится кратка» харак­ теристика пластовых вод на отдельных месторождениях Туркмении.

По геологическому строению и составу пластовых "вод Западный Челекен и Алигул имеют много общего. Хими­ ческий состав и степень минерализации вод на этих ме­ сторождениях'изменяется с изменением глубины залега­ ния водоносных горизонтов. Верхнюю часть разреза за ­ нимают высокоминерализованные хлоркальциевые воды с минерализацией 3000—7000 мг1экв. Начиная с третьего горизонта, есть участки, где распространены воды не­ большой минерализации гидрокарбонатнонатриевого типа, переходящие в хлоркальциевый при удалении их от участка распространения, который находится в рай­ оне озера Западный Порсугель.

В Камышлджа пластовые воды вскрытых отложений постплиоцена хлоркальциевого типа с минерализацией 1500— 1700 мг/экв. Пластовая вода со скважины № 3 с глубины свыше 1000 м также хлоркальциевая с мине­ рализацией больше 4000 мг/экв.

Все изученные пластовые воды Окарема хлоркаль­ циевые. Отмечен рост минерализации пластовых вод сверху вниз от постплиоцена до красноцветной толщи, а

32