Глава 2. Контроль и регулирование свойств тампонажных смесей

2.1. Методы определения физико-механических свойств

Тампонажных смесей

Тампонажные растворы характеризуются многими параметрами, однако для практики наибольший интерес представляют свойства, измерение которых оперативно и несложно. Существующие в настоящее время приборы и методы определения свойств тампонажных растворов несовершенны, и часто простота измерения идет в ущерб соответствию полученных оценок реальной действительности.

Основные параметры тампонажных растворов: плотность, подвижность, консистенция, водоудерживающая способность, сроки схватывания, прочность структуры, седиментационная устойчивость, водотвердое отношение, а также адгезия к горным породам и трубам.

В СПГГИ создана экспериментальная установка, позволяющая определять силу сцепления тампонажного камня с горными породами и обсадными трубами. Она состоит из гидравлического пресса, кюветы, заполненной тампонажным материалом, подставки, цилиндрических образцов и центрирующей крышки. Методика работы на установке сводится к следующему. В кювету диаметром 70 мм и высотой 50 мм заливается приготовленная цементная смесь с водоцементным отношением В/Ц = 0,5, после чего в центр опускается цилиндрический образец, имеющий диаметр 35 мм. Используются образцы двух видов для определения адгезионных связей со стенками скважины и обсадными трубами – керн и металлический стержень. Условие твердения – воздушное при t = 20 °С. Количество повторяемых опытов – 8.

Реологические свойства тампонажных растворов характеризуются вязкостью и динамическим напряжением сдвига.

Плотность измеряется ареометрами АГ-ЗПП или АБР-1.

Подвижность раствора характеризует возможность его прокачивания насосом, определяет величину гидравлических сопротивлений при тампонировании и особенности поведения раствора при заполнении каналов.

На практике подвижность оценивают по растекаемости тампонажного раствора, которая определяется на конусе АзНИИ. Этот прибор состоит из усеченного конуса-кольца массой 300 г, имеющего внутренние диаметры верхнего основания 36 и нижнего 64 мм, высоту 60 мм, объем 120 см³. Конус устанавливается на съемное стекло, которое, в свою очередь, помещают на круглую плиту, расчерченную концентрическими окружностями. С помощью регулировочных винтов, служащих одновременно и опорами прибора, плита со стеклом предварительно по уровню устанавливается в горизонтальное положение. Конус ставится в центре круга.

Для измерения растекаемости готовят 250 см³ раствора заданного состава и после перемешивания в течение 3 мин заливают его в конус вровень с верхним кольцом. Затем конус плавно поднимают вверх, и раствор растекается по стеклянному кругу основания. Во взаимно перпендикулярных направлениях определяют наибольший и наименьший диаметры круга расплыва и по ним вычисляют средний диаметр в сантиметрах.

От подвижности раствора в первую очередь зависит всасывающая способность насоса. Удовлетворительное всасывание обеспечивается при растекаемости не менее 17-18 см. Подвижность тампонажных составов определяется не только рецептурой, но и временем и интенсивностью перемешивания при приготовлении. Поэтому растекаемость как критерий подвижности – очень условный параметр.

Более надежно, но сложно определяется способность тампонажного раствора к прокачиванию с помощью консистометра. Этот прибор позволяет оценить сопротивление раствора перемешиванию лопастной мешалкой. Интенсивность перемешивания при измерениях должна соответствовать интенсивности перемешивания при движении раствора в скважине во время тампонирования. С помощью консистометра определяют и загустевание тампонажного раствора в процессе перемешивания.

Консистометр представляет собой вращающийся цилиндрический сосуд-стакан, внутри которого находится лопастная мешалка. Ось мешалки связана с калиброванной пружиной, с помощью которой измеряется усилие, передаваемое на лопасти при перемешивании раствора. Прибор укомплектован электрической печью, позволяющей выполнять измерения при различных температурах. Консистометр тарируется в условных единицах по истинно вязким жидкостям.

Для определения консистенции приготовляют 650 см³ тампонажного раствора и заливают его в стакан. Уровень раствора при этом не должен доходить до верхнего края цилиндра на 3 см. Затем в стакан опускают мешалку, включают электродвигатель и одновременно пускают секундомер. С момента приготовления раствора до момента пуска электродвигателя должно пройти не более 5 мин. После пуска электродвигателя в течение 20 мин через каждые 2 мин записывают показания стрелки прибора. Наименьшее из десяти значений будет характеризовать консистенцию тампонажного раствора.

Раствор считается достаточно подвижным, если его консистенция не превышает 20 условных единиц. Консистенция – более правильная количественная оценка подвижности, отражающая физическую сущность процесса перемешивания раствора, но консистометры довольно сложны.

Водоудерживающая способность тампонажного раствора характеризует, с одной стороны, его устойчивость как дисперсной системы, а с другой – способность к образованию тампонов в трещинах в процессе водоотдачи. Для некоторых тампонажных растворов, например цементных, водоудерживающую способность необходимо повышать, в противном случае раствор будет расслаиваться.

Седиментационная неустойчивость приводит к тому, что затвердевает лишь нижняя часть раствора, а в верхней части он вообще не схватывается. В других растворах, например глиноцементных, водоотдачу нужно увеличивать. Такие растворы в процессе течения по трещинам интенсивно отфильтровывают воду в пористые стенки, что сопровождается образованием плотного тампона. Чем интенсивнее водоотдача, тем активнее протекают эти процессы.

Показатель водоудерживающей способности тампонажного раствора – водоотдача, которая определяется на приборах ВМ-6 с использованием специальных бланков с двойной логарифмической сеткой. Порядок измерений такой же, как при определении водоотдачи глинистых растворов, и также приводится ко времени фильтрации, равному 30 мин.

Измеренная водоотдача может быть абсолютной, когда объем отфильтровавшейся жидкости за 30 мин меньше объема жидкой фазы раствора в стакане прибора, и условной (относительной), когда водоудерживающая способность раствора небольшая, т.е. объем жидкой фазы, отфильтровавшийся за 30 мин, больше объема в стакане прибора. Положение риски прибора в процессе измерений наблюдают через 10, 15, 20, 25, 30, 45 с и 1, 2, 3, 5 и 10 мин с момента открытия клапана.

Величина условной водоотдачи за 30 мин может быть получена расчетным путем по формуле

где В _t – количество жидкости, отфильтровавшейся из тампонажного раствора за время t, см³; t – время от начала опыта, мин.

Сроки схватывания (твердения) – один из важнейших параметров тампонажного раствора – определяются в статических условиях прибором ВИКа. Прибор состоит из круглого металлического стержня, свободно перемещающегося в вертикальной обойме станины. Для закрепления стержня на желаемой высоте служит зажим. В нижнюю часть стержня ввинчивается стальная игла диаметром 1,1 мм и длиной 50 мм. На кронштейне станины укреплена шкала. В комплект прибора входит кольцо с подставкой. Масса подвижной системы прибора 300 г.

Для определения сроков схватывания готовят 300 см³ тампонажного раствора, который после трехминутного перемешивания заливается в кольцо. Перед началом измерения игла должна слегка касаться поверхности раствора. Способ основан на периодическом измерении глубины погружения в исследуемый раствор стержня (иглы) площадью сечения 1 мм² под действием нагрузки в 3 Н. По мере загустевания раствора движение иглы в нем замедляется. Время, прошедшее от момента затворения до момента, когда игла не доходит до дна сосуда с раствором на 1 мм, называют временем начала схватывания. Время, прошедшее от момента затворения до момента, когда игла погружается в раствор не более чем на 1 мм, называют временем конца схватывания.

Сроки схватывания тампонажных растворов – условные параметры, так как в их основу положены условные критерии. Процесс упрочнения раствора и превращения его в тампонажный камень по физико-химической сути не имеет критических точек, делящих его на различные стадии. На сроки схватывания влияют давление, минерализация пластовых вод и химический состав тампонируемых пород. Однако попытки выполнять измерения с учетом этих факторов при существующих методах определения сроков схватывания не имеют смысла. Такой учет дает лишь качественную картину изменения процесса схватывания.

В то же время для успешного тампонирования нужно четко знать время, которым располагают исполнители тампонажных работ. Измеряемые сроки схватывания дают самое общее представление об этом времени. Если начало схватывания наступает через 1 ч, это не значит, что исполнитель работ имеет в своем распоряжении этот час. Поэтому, готовя раствор для тампонирования скважины, исполнители стремятся подстраховаться и увеличить время начала схватывания, а это приводит к резкому уменьшению эффективности тампонажных работ.

Пластическая прочность Р_т характеризует прочность структуры раствора при пластично-вязком разрушении, измеряется на приборе ВИКа по методу акад. П.А. Ребиндера, усовершенствованному М.С. Винарским. Вместо иглы прибор снабжается комплектом конусов из стали, алюминия или органического стекла с углами при вершине 30, 45, 60, 90°. Кроме того, необходимо иметь кольцо большего размера (диаметром 127-146 мм) и соответствующего размера подкладную пластину.

Методика измерений следующая. В кольцо высотой 40 мм, установленное на пластине-поддоне, заливают тампонажный раствор. Поверхность раствора тщательно выравнивают. Подвижный стержень прибора с укрепленным в нижней части конусом устанавливают таким образом, чтобы конус чуть касался поверхности раствора, и в таком положении фиксируют зажимом. Через определенное время выдержки зажим отпускают, подвижную систему освобождают и конус погружается в раствор на определенную глубину. Величина погружения фиксируется по шкале.

Затем конус поднимают, насухо протирают и устанавливают в исходное положение. Кольцо с пробой раствора смещается с пластиной по плите-основанию таким образом, чтобы после очередного погружения конуса центры лунок находились на расстоянии не менее трех диаметров предыдущей лунки. Через заданное время выдержки нажатием кнопки зажима конус вновь освобождается, и измеряют глубину его погружения. Пластическая прочность вычисляется по формуле

P_m = K _a(G / h ²),

 

где K _a – коэффициент, зависящий от угла конуса; G – вес погружаемой системы, Н; h – глубина погружения конуса в тампонажный раствор, м;

;

a – угол при вершине конуса.

Так как пластическая прочность нарастает во времени, глубина погружения конуса постепенно уменьшается. Для повышения точности измерений при достижении h = 0,5-0,8 см конус заменяют более острым. Если использован самый острый конус комплекта, подвижную систему дополнительно нагружают, для чего в верхней ее части устанавливается съемный груз, величина которого зависит от конкретных условий опыта.

Рекомендуется одновременно исследовать не менее трех образцов раствора и пластическую прочность выбрать как среднее из трех измерений. По результатам измерений строят кривую изменения пластической прочности во времени. Общий характер кривых отражает физико-химические изменения, происходящие в растворе с течением времени. Сначала прочность нарастает медленно, затем лавинообразно ускоряется, после чего вновь замедляется, асимптотически приближаясь к конечному значению. На каком-то этапе лавинообразного участка упрочнения пластическое разрушение структуры переходит в хрупкое, но раствор не прокачивается задолго до этого момента.

Знание кинетики нарастания прочности позволяет оценить время, которым мастер располагает при неполадках в процессе закачки раствора. На этапе медленного набора прочности структуры раствора пластическую прочность можно считать аналогом статического напряжения сдвига. Тогда, если раствор находится в трубах длиной L, сопротивление раствора сдвигу определяется по формуле

где р _см – гидростатическое давление раствора в бурильных трубах, Па; d – внутренний диаметр бурильных труб, м.

Отсюда при максимальном давлении, развиваемом насосом, получим критическое значение пластической прочности , при котором насос не может продавить раствор в трубах,

.

Зная , по кривой нарастания пластической прочности во времени для данного раствора можно найти время, за которое структура достигла критической прочности. Конечно, и здесь речь идет о приблизительной оценке, так как трудно учесть ряд факторов: время предварительного перемешивания, степень соответствия для данного времени статического напряжения сдвига и пластической прочности, температуры в скважине и др. Но полученная оценка является количественной, отражает в динамике физико-химические процессы и может уточняться по мере получения дополнительной информации.

Измерять пластическую прочность можно непосредственно перед проведением тампонажных работ.

Седиментационная устойчивость тампонажных растворов характеризуется коэффициентом водоотделения и измеряется в процентах. Она определяется следующим образом. Испытуемый раствор заливают в два мерных цилиндра объемом 250 см³ каждый и оставляют в покое на 3 ч. Для предотвращения испарения жидкости мерные цилиндры сверху накрывают. По истечении 3 ч по делениям на стенках цилиндров измеряют объемы жидкости, отделившейся из раствора в каждом из них. По результатам измерений вычисляют коэффициент водоотделения

,

где V ₁ – первоначальный объем тампонажного раствора, см³; V ₂ – объем осевшего тампонажного раствора, см³; за окончательный результат принимается среднеарифметическое из измерений в обоих цилиндрах.

Раствор считается достаточно устойчивым, если коэффициент водоотделения не превышает 2,5 %.

Водотвердое отношение (b/t) представляет собой отношение масс воды и твердой фазы, необходимых для получения единицы объема раствора. Оно во многом определяет свойства тампонажных растворов. При известных составах воды и твердой фазы по водотвердому отношению обычно прогнозируются свойства раствора. И наоборот, желая получить определенные параметры раствора, нередко изменяют водотвердое отношение. Для тампонажных растворов B/T = 0,4÷0,8.

При однокомпонентной твердой фазе тампонажного раствора плотность и В/Т связаны следующей формулой:

,

где ρ_р, ρ_т, ρ_ж – плотности соответственно раствора, вяжущего вещества, жидкости затворения.

При многокомпонентной твердой фазе сначала определяют ее среднюю плотность, а затем делают расчет.

Реологические свойства тампонажных растворов (μ, η, τ) определяют на тех же вискозиметрах, на которых измеряют свойства промывочных жидкостей.

Не все тампонажные растворы характеризуются полным набором приведенных выше параметров. Так, для оценки качества тампонажных растворов на основе цементов используют все характеристики; тампонажные пасты оцениваются водотвердым отношением и сроками схватывания; в полимерных тампонажных растворах важны сроки твердения, а водотвердое отношение и водоотдача теряют смысл. Свойства, подлежащие оценке и контролю, определяются видом и составом тампонажного раствора, а в ряде случаев и технологией его использования.