3.1 Свойства цементного раствора

Для надежной кольматации трещин и пор горных пород стенок скважин предварительно следует изучить их физико-механические свойства (в первую очередь минералогический и гранулометрический состав, величину раскрытия трещин), наметить цели кольматации и на. основании этого подобрать цемент с нужными параметрами, состав тампонажной смеси с параметрами, соответствующими свойствам горной породы и поставленной цели.

Для цементных растворов, предназначенных для кольматации трещин, определяют следующие параметры цемента: марку, плотность и объемный вес тампонажного цемента, тонкость помола, а затем параметры цементного раствора: 1 - плотность, 2 - водоцементное отношение, 3 - устойчивость цементного раствора к размыванию промывочной жидкостью и подземными водами, 4 - устойчивость к воздействию агрессивных подземных вод, 5 растекаемостъ, 6 - пластическая прочность, 7 - сроки схватываний, 8 - время загустевания, 9 - стабильность и водоудерживающая способность, 10 - проникаемость раствора в трещины, 11 - закупоривающая способность, 12 - реологические свойства.

Марку портландцемента определяют по величине прочности цементного камня на сжатие при добавлении песка в соотношении 1:3 через 28 суток после затворения. Для приготовления тампонажной смеси выбирают сухой цемент, транспортируемый в специальных плотных упаковках. Для кольматации трещин в прочных скальных породах к марке цемента особых требований не предъявляется. Считается, что для кольматации трещин цементный камень может иметь прочность на сжатие 3 МПа и даже меньше.

Тонкость помола определяют с помощью комплекта сит, установленных друг на друга. Размеры отверстий верхнего сита 0,2x0,2 мм (900 отверстий на 1см²), а нижнего 0,09x0,09 мм (3900 отверстий на 1 см²). Тонкость помола влияет на все свойства цементного раствора: плотность, водоцементное отношение, растекаемость, стабильность, проникаемость и т.д.

Наличие тонкой фракции (размером менее 10 мм) в большом количестве приведет к увеличению удельной поверхности и активности цемента, что повышает водоцемент-ное отношение. Большое содержание воды влечет за собой снижение плотности и прочности цементного камня. С увеличением количества грубодисперспой фракции с размерами выше допустимого значения активность цемента понизится, качество цемента (растворимость, прочность структуры и т.д.) ухудшится. Поэтому рекомендуется использовать цемент с оптимальным фракционным составом: 10 мкм - 45 %, от 10 до 50 мкм - 55 %. Тонкость помола портландцемента должна соответствовать остатку на сите с 900 отверстиями на см² не более 2 %, а на сите с 3900 отверстиями на см² не более 20 %.

Плотность цементного раствора выбирают в соответствии с пластовым давлением в скважине.В скважинах с аномально высоким пластовым давлением (АВПД) применяют тяжелые цементные растворы и наоборот в скважинах с аномально низким пластовым Давлением (АНДП) – легкие цементные растворы.

По плотности цементные растворы делят на легкие плотностью менее 1,3 г/см³, облегченные плотностью 1,3-1,65 г/см³, нормальные плотностью 1,65-1,90 г/см³, утяжеленные плотностью 1,9-2,2 г/см³ и тяжелые плотностью более 2,2 г/см³.

Плотность раствора определяют с помощью приборов - плотномера ВРП, пикнометра и ареометра АГ-ЗПП.

Водоцементноё отношение так же, как и плотность, оказывает влияние на многие свойства цементного раствораплотность, растекаемость, сроки схватывания, проникаемость, стабильность и т.д. Водоцементное отношение - это количество воды на единицу веса цемента:

m=р_в/р_ц.

Для нормальных растворов из портландцемента ПЦТ ДО и ПТЦ Д20 водоцементное отношение принимают равным 0,4-0,6; для легких цементных растворов (на основе ПТЦ_лсг) m=1,3-1,5, облегченных растворов (на осно­ве ПЦТ_обл) т=0,6-1,3, утяжеленных (ПЦТ_ут) m=0,3-0,4.

Растекаемость - это способность цементного раствора течь. Обусловлена она вязкостью тампонажной смеси и позволяет судить о возможности прокачивания раствора насосом через бурильные трубы, косвенно определять гидравлические сопротивления в трубах и трещинах, вероятность заполнения трещин и пор.

Нормальным цементным раствором при кольматации трещин для всех цементов (кроме ПЦТ ДО и ПТЦ Д20) считается раствор с растекаемостыо 18-22 ей. Если растекаемость раствора окажется менее 18 или более 22 см, то водоцементное отношение изменяют (увеличивают при m<18 и уменьшают при m>22) до указанных пределов. Определяют растекаемость на приборе "Конус АзНИИ".

Устойчивость раствора к размыванию промывочной жидкостью. Размывание раствора - это активное перемеши­вание цементного и бурового растворов, которое возможно при наличии свободной воды в растворах и высокой гидрофильности твердой фазы. Для определения устойчивости раствора к размыванию промывочной жидкостью используют стекляный цилиндр с делениями, его заполняют наполовину цементным раствором и наполовину промывочной жидкостью. После выдерживания растворов в течение 3 . часов определяют плотность цементного раствора в контакте с промывочной жидкостью, содержание воды в цементном растворе и реологические свойства смеси.

С целью предотвращения размывания цементного раствора промывочной жидкостью используют буферные жидкости.

Устойчивость цементного раствора к агрессии подземных вод. На твердение раствора в процессе тампонирования трещиноватой зоны могут оказывать вредное влияние агрессивные подземные воды. В результате взаимодействия ионов солей с составными элементами цемента затвердевание может не произойти.

Различают сульфатную, сероводородную, магнезиальную, углекислотную и общекислотную агрессии.

Сульфатная агрессия характеризуется повышенным содержанием в воде сульфат-анионов SO₄^2- (подробнее будет рассмотрена ниже).

При угяекислотной агрессии под воздействием углекислоты, СО₂ происходит выщелачивание и вымывание составных частей цемента, главным образом извести СаО:

СaO + CO₂ = СаСО_з

Общекислотная агрессия обусловлена наличием в подземных водах ионов водорода, способных вытеснять в минералах цемента другие катионы или нейтрализовать щелочь и таким образом ухудшать качество цементного раствора:.

Са(ОН)₂ + Н⁺= Са²⁺+ Н₂О

Допустимый показатель рН подземных вод должен быть не менее 5. При сероводородной агрессии образуются сульфиды кальция, алюминия, железа, например,

H₂S+Ca(OH)₂ →CaS + 2Н₂О

Пластическая прочность характеризует прочность структуры раствора при его пластично-вязком разрушении пол воздействием, конуса. Она характеризует устойчивость раствора к размывающему действию циркулирующей промывочной жидкости. Это величина не постоянна. С течением времени пластическая прочность возрастает сначала весьма интенсивно, затем более плавно, а через некоторый промежуток времени темп повышения прочности резко падает. Пластическая прочность в момент снижения темпа упрочнения раствора должна быть достаточной, чтобы выдержать размывающее действие потока циркулирующей промывоч- ной жидкости.

Замеряют пластическую прочность на приборе Вика, в котором вместо иглы в нижней части стержня закреплен конус.

Сроки схватывания растворов (начало и конец схватывания) - показатели, позволяющие определить резерв времени закачивания цементного раствора до его схватывания, а также, время твердения раствора (ожидание затвердевания цементного раствора ОЗЦ) в трещинах.

Начало схватывания выбирают в зависимости от глубины скважины и скорости закачивания раствора (от нескольких минут до нескольких часов), а конец схватывания в зависимости от ширины раскрытия трещин, скорости циркуляции подземных вод и др.

Сроки схватывания зависят от тонкости помола цемента, водоцементного отношения, активности цементных частиц и температуры. Определяют сроки схватывания на приборе Вика.

Время загустевания раствора необходимо знать для более точного определения резерва времени закачивания тампонажной смеси. Его определяют на консистометре КЦ-5 (для нормальных температур в скважине) и консистометре КЦ-3 (для повышенных температур). На время загустевания оказывают влияние те же характеристики раствора; активность цементных частиц, водоцементное отношение, тонкость помола, давление, температура.

Стабильность раствора - один из важных показателей цементных растворов, оказывающий влияние на качество тампонирования. При малой стабильности в процессе твердения из раствора выпадает твердая фаза и трещины оказываются не затампонироваными или затампонироваными частично, поэтому, производят повторное тампонирование, на что затрачиваются дополнительные материальные средства, время и труд рабочих.

Стабильность определяют по величине объема выделившейся воды из раствора, находящегося в покое в течение трех часов. О ней можно судить и по водоудерживающей способности (водоотдаче) раствора на приборе ВМ-6 . Величина водоотдачи зависит от тонкости помола цемента, активности цементных частиц, перепада давления и температу-ры твердения. С ростом давления и температуры водоотдача раствора возрастает.

Существенное влияние на эффективность тампонирования трещиноватых пород имеет и проникаемость раствора, т.е. глубина проникновения тампонажной смеси в трещины пласта. При незначительной глубине проникновения под воздействием бурильной колонны и давления циркулирующей промывочной жидкости цемент разрушается и вымывается из трещин. Требуется повторное тампонирование.

Проникаемость тампонажного раствора зависит от величины раскрытия трещин, гидрофильности горных пород и растекаемости раствора. Определяют проникаемость на щелевом имитаторе.

Водные растворы тампонажного цемента довольно широко применяют для предупреждения потерь промывочной жидкости. Однако закупоривающая способность их при наличии циркулирующих подземных вод весьма низка, так как в течение; длительного времени в них отсутствует кристаллическая структура, вследствие чего под. действием циркулирующей жидкости незатвердевший раствор продавливаете в трещдны. Такие растворы требуют специальной обработки. Закупоривающую способность тампонажных смесей определяют на щелевом имитаторе. Один из таких имитаторов представляет систему дисков с регулируемыми зазорами, через Которые продавливается тампонажный раствор.