ЦЕМЕНТИРОВАНИЕ БУРОВЫХ СКВАЖИН (2003 год) - часть 6

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ ЗАГУСТЕВАНИЯ ТАМПОНАЖНЫХ РАСТВОРОВ

Время загустевания тампонажных растворов определяют специальными приборами - консистометрами. Наиболее удобным, дающим более полноценные показания результатов испытаний, является консистометр КЦ-3.

Этот прибор обладает следующими техническими характеристиками:

- диапазон измерения консистенции раствора, условные

пуазы......................................................................5-100;

- давление при испытаниях, МПа (кгс/см2), до.....100(1000);

- наибольшая мощность, кВА, не более.....................2,0.

Принципиальное устройство прибора показано на схеме

(рис. 60).

Принцип действия консистометра основан на измерении момента, создаваемого на лопастях 11, вращающихся в цементом растворе, помещенном в стакан 12. Температурный режим при испытании обеспечивается подогревом масла в автоклаве 16 с помощью электронагревателя 13. Давление в автоклаве создается и регулируется гидравлическим прессом 4. Избыточное давление устраняется через предохранительный клапан 25. Стакан с пробой раствора приводится во вращение электродвигателем 23 через редуктор 24.

Установка и извлечение стакана с пробой раствора, накрытого крышкой 8, из автоклава производится гидроподъемником 14 с помощью насоса 2. Показания результатов испытания фиксируются приборами: манометром 3, потенциометром самопишущим- КСП1-022, поз 19; прибором с дифференциальнотрансформаторной схемой (самопишущий) КСД1-013, поз.20.

Консистометр обслуживается оператором-лаборантом, при этом работы выполняются в следующем порядке.

Включают электропитатель прибора. Автономными включателями включают вторичные приборы и устанавливают стрелки -задатчики против деления на шкале, соответствующего заданной температуре и предельной консистенции. Пробу раствора заливают в стакан, который закрепляют на вкладыше байонетного замка.

После установки стакан фиксируют стопорным винтом, расположенным в его верхней кромке. Открывают штуцеры на подводящих жидкость трубопроводах, а также вентиль на вкладыше, опускают вкладыш со стаканом в автоклав и закрепляют его. Закрывают все штуцеры кроме вентиля вкладыша. С помощью насоса при открытых штуцерах на сбросе и автоклаве заполняют автоклав маслом до полного вытеснения из него воздуха. Закрывают штуцер на сбросе и вентиль вкладыша, опускают защитный кожух и создают давление в автоклаве. Отметив на диаграммах вторичных приборов время начала испытания, включают нагрев и вращение стаканчика. Заданные температура и давление в автоклаве поддерживаются автоматически. В случае необходимости давление регулируют прессом вручную. Когда проба раствора достигла предельной консистенции, появляется сигнал электрическим звонком. После этого отключают нагрев и обеспечивают охлаждение системы. После охлаждения ниже +30 °С выключают двигатель и вторичные приборы. Сбрасывают давление до атмосферного. Поднимают защитный кожух консистометра и открывают вентиль вкладыша. Освобождают замок-вилку автоклава и с помощью гидроподъемника извлекают стакан с пробой раствора. Стакан и лопастное устройство освобождают от цементного раствора, не допуская начала его схватывания. Все детали прибора тщательно очищают и приводят в исходное положение.

Обслуживание консистометров требует особых навыков опе-раторов-лаборантов. В связи с этим к работе допускают только хорошо обученных специалистов.

Подробное описание прибора, его устройства и порядок обслуживания изложены в соответствующей документации (Консистометр КЦ. Техническое описание и инструкция по эксплуатации ЗШ2.842.009 ТО).

Для определения загустевания тампонажного раствора в полевых условиях применяют портативный консистометр КЦ-5, в основном, отличающийся от КЦ-3 габаритами, массой, отсутствием пресса для создания давления в камере с образцом раствора и наибольшей температурой испытания (рис. 61).

Прибор обладает следующими техническими характеристиками:

Испытания проводят в следующем порядке.

Включают электропитание и проверяют исправность привода стакана включением тумблера «Двигатель». Для опробования системы нагрева наливают воду в бачок и устанавливают его на консистометр. Включают электропитание нагревателя и поворотом рукоятки вправо или влево проверяют исправность регулятора нагрева. На шкале прибора устанавливают величину заданной консистенции раствора. Чашку в верхней части прибора устанавливают так, чтобы риска на ней совпала с пятым делением шкалы консистометра.

Подготовленную пробу раствора заливают в стакан до риски на его внутренней поверхности. На валу редуктора закрепляют байонетный замок с закрепленным на нем стаканом. В бачок с электронагревателем наливают воду до уровня, равного 70 мм от края.

Отметив время начала испытания, включают электродвигатель. Регулятором напряжения устанавливают скорость нагрева. При заданной температуре нагрева устанавливают рукоятку регулятора напряжения таким образом, чтобы сохранялся тепловой баланс. Положение рукоятки для заданной скорости нагрева и теплового баланса определяется опытным путем при различных условиях испытаний.

Через определенные промежутки времени производят отсчет показаний прибора по числу делений на шкале при ее повороте. Число отсчетов зависит от поставленной задачи по проведению опыта. Как правило, отсчет показаний проверяют через каждые 5-10 мин. -

По окончании опыта, то есть при достижении пробой раствора заданной консистенции, отмечают время и отключают прибор.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВРЕМЕНИ СХВАТЫВАНИЯ ТАМПОНАЖНОГО РАСТВОРА

Время начала и конца схватывания тампонажного раствора определяют с помощью прибора Вика, устройство которого показано на рис.62.
В комплект прибора входит специальное кольцо для помещения в нем пробы тампонажного раствора, предназначенной к испытанию (рис. 63).

При замене отработанных или вышедших из строя основных деталей прибора с целью сохранения точности его показаний необходимо соблюдать размеры и массу заменяющих деталей, которые должны соответствовать данным, приведенным в табл. 26 и 27.

Определение сроков схватывания производится в следующем порядке.

Приготовленный образец тампонажного раствора помещают в кольцо, расположенное на полированной стальной пластинке -донышке и отмечают время. Перед заполнением кольца раствором внутреннюю его поверхность и донышко смазывают тонким слоем солидола. Уровень раствора должен совпадать с кромкой кольца. Испытания проводят при заданной температуре, как правило, 22±2 °С или 75±3 °С для «горячих» условий цементирования. В последнем случае кольцо с пробой, накрытое стеклянной пластинкой помещают в ванну с водой, подогреваемой постоянно до заданного значения.

Перед испытанием прибор проверяют на пригодность подъемом и опусканием пестика с иглой. Отсутствие торможения пестика при опускании свидетельствует о пригодности прибора к действию. Затем прибор настраивают таким образом, чтобы игла при погружении в раствор слегка касалась донышка, не подвергаясь изгибу, и издавала слабый звук при касании с ним.

После этого кольцо с пробой устанавливают на основании прибора под иглу, которую опускают до касания с поверхностью

пробы и закрепляют ее винтом. Опускание иглы в раствор и возврат ее в исходное положение производят систематически. Первое опускание иглы производят через 30, затем через каждые 15 минут. Наличие звука (стука) при касании иглы донышка, свидетельствует о том, что начало схватывания цементного раствора еще не наступило. Отсутствие стука и зависание иглы на 1-2 мм над донышком, что отмечается на шкале прибора, является сигналом о начале схватывания. После этого погружение иглы в раствор осуществляют через каждые 15 минут. При остановке ее на поверхности пробы или погружении в нее не более чем на 1-2 мм, отмечают конец схватывания тампонажного раствора.

При испытании образцов в условиях высоких температур процедуру «прошивания» иглой производят, извлекая пробу из ванны и, погружая детали ее опять в воду без промедления.

После проведения испытания кольцо освобождают от затвердевшей пробы, а его внутреннюю поверхность и все детали прибора, контактирующие с цементным раствором, тщательно очищают и смазывают.

Для определения сроков схватывания тампонажных растворов в условиях высоких температур и давлений применяют автоклав, который используют также для обеспечения условий твердения образцов цементного камня при температурах выше 100 °С и, при необходимости, высоком давлении. Устройство автоклава показано на рис. 64. Испытания проводят в следующем порядке.

Приготовленный образец тампонажного раствора помещают в кольцо Вика, выравнивают поверхность образца и устанавливают его в кассету со взведенными иглами. Кассету помещают в автоклав и плотно его закрывают. Через штуцер (поз. 16) создают давление до необходимой величины (при допустимой - 50 МПа). Включают нагрев, который обеспечивает электропечь, насаженная снизу на корпус автоклава. При выходе на заданный режим испытания (заданные температура и давление), отмечают время начала опыта. В зависимости от заданных условий испытаний определяют время сброса первой иглы. В большинстве случаев оно составляет один час. Если при сбросе первой иглы слышен четкий стук, указывающий, что начало схватывания еще не наступило, определяют время опускания второй иглы. При глухом стуке или его отсутствии сбрасывания остальных игл производят через каждые 15 минут. После сброса последней иглы снимают давление и отключают нагрев. Автоклав вскрывают только при температуре ниже 75 °С.

Начало схватывания определяют по положению иглы первой, не достигшей дна. Конец - по времени освобождения иглы, непо-грузившейся в толщу цементного образца. Если время начала или конца схватывания экспериментальным путем установить не удается, строят график зависимости величины погружения игл во времени, и путем экстраполяции определяют сроки схватывания.

ВОДООТДАЧА ТАМПОНАЖНЫХ РАСТВОРОВ

Свойство тампонажного раствора - отделять часть содержа-щейся в нем воды в результате фильтрации называют условно водоотдачей. Интенсивность водоотдачи зависит в основном от степени проницаемости цементируемых пород, давления при нагнетании раствора в заколонное пространство и свойств жидкости затворения. Интенсивная водоотдача тампонажных растворов приводит к серьезным осложнениям в процессе цементирования обсадных колонн, а также при производстве изоляционных работ при капитальном ремонте скважин с применением цементных растворов. Потеря значительного количества воды приводит к резкому повышению вязкости раствора с потерей его прокачи-ваемости. Опасность повышенной водоотдачи возникает при цементировании оборудованных скребками обсадных колонн с применением расхаживания или вращения. При этом происходит удаление глинистой корки со стенок скважины, препятствующей уходу фильтрата в пласт. Наибольшую угрозу создает водоотдача растворов при цементировании хвостовиков или обсадных колонн с малым сечением заколонного пространства, где даже при малых значениях водоотдачи раствор теряет подвижность, что резко увеличивает гидропотери при движении его за колонной.

Кроме того, следует учесть, что уход фильтрата раствора в продуктивный пласт резко ухудшает его коллекторские свойства. Особенно при наличии в коллекторе глинистой составляющей, склонной к набуханию под воздействием пресной воды. Проблемы, связанные с влиянием водоотдачи на результаты цементирования, привели к необходимости регламентировать ее величину для различных условий.

Величину водоотдачи тампонажных растворов измеряют прибором фильтр-пресс ФЛР или другими стандартными измерительными средствами отечественного или зарубежного производства (рис. 65).

Рис.65. Фильтр-пресс для измерения водоотдачи тампонажных растворов

Прибор состоит из корпуса с рабочей камерой, вмещающей пробу раствора объемом 160 см3 и камерой для сбора фильтрата объемом 15 см3. Рабочая камера заключена в нагревательный кожух, снабженный электроспиралью и термостатом, с помощью которого осуществляется нагрев пробы и поддерживается заданная температура. Кроме этого, камера оборудована устройством для создания в ней давления и измерения его перепада в процессе проведения опыта. Как правило, испытания проводят при перепаде давления 0,7 МПа. Испытания проб раствора, предназначенного для производства изоляционных работ на скважинах под высоким давлением, проводят с перепадом давления 7 МПа. Для отделения фильтрата между камерами устанавливают фильтр. По стандартам API (США) предусмотрен фильтр с частотой ячеек 325 меш, уложенный на сетчатый экран в 60 меш. На практике в качестве фильтрующего элемента, как правило, применяют фильтровальную бумагу.

Результаты испытания выражены объемом отфильтрованной воды за 30 минут. В случаях, когда процесс фильтрации заканчивается раньше, чем за 30 минут, значение водоотдачи определяют по формуле:

РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТАМПОНАЖНЫХ РАСТВОРОВ И МЕТОДЫ ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

В расчетах режимов цементирования, обеспечивающих полноту замены бурового раствора тампонажным в заколонном пространстве, необходим учет реологических свойств рабочих жидкостей, которые выражаются, в основном, двумя параметрами:

- структурной вязкостью η, Па с, (мгс/см2-с);

- динамическим напряжением сдвига - τ0, Па (мгс/см2). Определение значений этих параметров весьма сложно по

причине отсутствия соответствующих приборов. В зарубежной практике цементирования, а в последнее время и в отечественной
вместо указанных параметров применяют аналоги:

РЕГУЛИРОВАНИЕ СВОЙСТВ ТАМПОНАЖНОГО РАСТВОРА

Свойства тампонажных растворов регулируют различными способами:

• изменением водоцементного отношения;

• добавлением различных минеральных или органических добавок в состав сухого цемента;

• вводом химических реагентов в воду затворения;

• механической или термической обработкой тампонажного раствора главным образом с целью его активации.

РЕГУЛИРОВАНИЕ ПЛОТНОСТИ ТАМПОНАЖНЫХ РАСТВОРОВ

Необходимость регулирования плотности тампонажного раствора продиктована особыми условиями цементирования интервалов с аномальными пластовыми давлениями. Основным требованием при этом является обеспечение гидростатического давления, исключающего поглощения в зонах АНПД и флюидопрояв-дения из пластов с АВПД. При выборе необходимого значения плотности тампонажного раствора учитывают величины градиента пластового давления и градиента гидроразрыва пласта (или поглощения), залегающего в интервале цементирования.

Основными условиями при выборе плотности тампонажного раствора являются степень влияния ее на рабочее давление при цементировании и плотность контактирующего с тампонажным бурового раствора. В практике цементирования и в ряде инструкций принято:

В качестве примера метода выбора плотности тампонажного раствора приведена табл.29 с необходимыми исходными данными о цементируемых интервалах месторождения Тенгиз (Западный Казахстан). Выбирая значения плотности, следует учитывать пределы ее допустимых колебаний, равных ±0,02 г/см .

Тампонажные растворы для цементирования интервалов, сложенных из флюидосодержащих пород с аномальными пластовыми давлениями, готовят из специальных цементов, номенклатура которых была показана выше. В основном эти цементы выпускаются по специальным заказам, поскольку они дороже и их изготовление требует много времени. Альтернативой таких цементов являются сухие тампонажные смеси, в которых в качестве утяжеляющих или облегчающих добавок могут быть использованы те же материалы, которыми обрабатывают буровые растворы. Главным образом это барит или бентонитовый глинопорошок.

Приготовление таких смесей не представляет большой сложности, при этом, как правило, применяют стандартное цементосмесительное оборудование.

Свойства растворов из этих смесей могут регулироваться в широких пределах и в большинстве случаев отвечают требованиям, продиктованным условиями цементирования

В табл.30 приведены показатели, характеризующие свойства цементо-баритовых растворов при различном соотношении их

компонентов.

Номенклатура утяжеляющих добавок представляет широкий перечень, при этом каждая из них применяется в зависимости от конкретных условий цементирования и возможности поставки.

Аналогичное положение складывается и с облегчающими добавками. Однако наиболее простым в применении считают бентонитовый глинопорошок.

Свойства приготовленного из него раствора отражены в табл. 31.

Для уменьшения степени смешивания бурового растворов в заколонном пространстве с вытесняющим его тампонажным необходимо учитывать разницу в их плотностях, которая рекомендуется в следующих пределах:

В отличие от растворов, приготовленных «сухим» способом (т.е. из сухих смесей), растворы, приготовленные «мокрым» способом с применением рециркуляции (патент на изобретение №2162510), отличаются уменьшенным расходом глинопорошка и более высокими качественными показателями. Об этом свидетельствуют данные табл.32.

РЕГУЛИРОВАНИЕ РАСТЕКАЕМОСТИ ТАМПОНАЖНЫХ РАСТВОРОВ

Как отмечалось выше, пределом растекаемости тампонажного раствора является его расплыв диаметром не менее 18 см. В отдельных случаях при обеспечении цементировочных насосов подпорными устройствами растекаемость может быть уменьшена до 16 см.

Тампонажные растворы с водоцементным отношением (В:Ц) не менее 0,45 и не обработанные реагентами, повышающими их структурную вязкость, как правило, обладают растекаемостью не менее 18 см. Снижение растекаемости тампонажных растворов происходит при их обработке реагентами с целью уменьшения водоотделения или водоотдачи, а также при достижении высоких изолирующих свойств. В таких случаях с целью приведения растекаемости к норме применяют реагенты-стабилизаторы, не оказывающие влияния на другие свойства раствора, приготовленного для особых условий применения. Наиболее целесообразным является применение реагентов, оказывающих двойное действие на свойства растворов, необходимые для успешного цементирования. Так, например, повышение растекаемости и одновременное увеличение сроков загустевания тампонажного раствора может быть достигнуто применением сульфит-спиртовой бардой (ССБ) до 0,6 % для температурных условий до 100 °С. Увеличение количества ССБ в составе раствора приводит к интенсивному пенообразованию, в связи с чем при необходимости увеличения дозы реагента на основе ССБ [3], необходимо обработать его разбавленной азотной кислотой, меланжем или окислами азота. Применение НССБ до 1,0% к весу цемента не вызывает интенсивного вспенивания и способствует увеличению сроков загустевания растворов при температурных условиях до 130 °С, заметно повышая их растекаемость.

РЕГУЛИРОВАНИЕ СРОКОВ ЗАГУСТЕВАНИЯ ТАМПОНАЖНЫХ РАСТВОРОВ
Промежутки времени от начала приготовления тампонажного раствора до потери его подвижности называют сроком загустевания. В соответствии с ним планируется время проведения цементировочной операции.

При цементировании «горячих» скважин сроки загустевания тампонажных растворов коротки и для проведения процесса цементирования часто требуется их увеличение.

Существуют условия, когда необходимо сокращение сроков загустевания и следующего за ним схватывания тампонажного раствора. К числу таких условий относятся следующие:

- аномально высокие пластовые давления в цементируемых интервалах, способные вызвать насыщение пластовым флюидом тампонажного раствора в результате потери им изолирующей способности;

- цементирование интервалов, сложенных из подвижных пластичных пород, главным образом, солей, угрожающих смятием обсадных колонн;

- необходимость сокращения времени ОЗЦ при низких забойных температурах с целью уменьшения сроков строительства скважин.

Ускоренным схватыванием тампонажного раствора можно опередить его интенсивную седиментацию, как причину потери им изолирующей способности.

Для предотвращения смятия обсадной колонны подвижными пластичными солями на глубине их залегания в колонне оставляют цементный «стакан». При своевременном схватывании и достаточном наборе прочности он препятствует смятию колонны солями, которые постепенно обтекают ее сплошным кольцом, после чего «стакан» разбуривают.

Продолжительность прокачиваемого состояния тампонажного раствора планируют с учетом запаса времени на проведение цементировочной операции и обеспечения своевременного схватывания.

Для большинства случаев принято следующее условие:

Основными факторами, влияющими на сроки загустевания и схватывания цементного раствора, являются температура окружающей среды и давление, действующее на раствор. Некоторое изменение сроков схватывания происходит от колебания величины В :Ц, так как наличие свободной воды, не участвующей в процессе гидратации, снижает активность цемента при схватывании раствора.

На графиках (рис. 66, рис. 67, рис. 68) показано влияние этих факторов на время схватывания цементного распгвора.

Основными регуляторами сроков загустевания и схватывания тампонажных растворов являются соответствующие химические реагенты и добавки. Кроме них иногда используют другие методы влияния на сроки схватывания: искусственное охлаждение пород в зоне предполагаемого цементирования путем создания циркуляции остуженного раствора. В отдельных случаях, с целью сокращения сроков схватывания растворов в скважине, их обрабатывают перед закачкой в подогреваемых емкостях в течение, так называемого, инкубационного периода.

Главным образом эти мероприятия используют как дополнительное средство, где главными являются замедлители и ускорители сроков схватывания, вводимые в жидкость затворения. Основные характеристики этих реагентов изложены в следующих табл.33,34,35.

содержание .. 4 5 6 7 ..