Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Подвижность цементного раствора не может быть однозначно охарактеризована вязкостью, так как or не является ньютоновской жидкостью. Кроме сил внутреннего трения гомогенной жидкой фазы суспензии сопротивление течению оказывают силы взаимодействия частиц между собой, которые могут иметь как чисто физическую природу, так и физико-химическую.  [2]

Подвижность цементного раствора определяется с целью выяснения возможности прокачивания его в скважину насосами. Существуют различные способы определения подвижности.  [4]

Подвижность цементного раствора уменьшается во времени, причем первое время в течение так называемого инкубационного периода медленно, затем быстро. Скорость ухудшения подвижности увеличивается с повышением температуры. В табл. 2.29 — 2.32 приведены показатели подвижности характерных тампонажных растворов при различных водосодержании, температуре и продолжительности перемешивания.  [5]

Подвижность цементного раствора обусловливает гидравлическое сопротивление, которое оказывает цементный раствор прокачиванию по циркуляционной системе скважины. Эти величины могут быть определены с помощью капиллярного или ротационного вискозиметра. Измерения этих параметров сложны и трудоемки, поэтому они применяются главным образом в научно-исследовательских целях. При испытании цементных растворов в производственных условиях используют косвенные методы оценки прокачиваемости по растекаемости и с помощью консистометра.  [6]

Подвижность цементного раствора обусловливается гидравлическим сопротивлением, которое оказывает цементный раствор в процессе движения по трубам и затрубному пространству скважины. Гидравлическое сопротивление может быть рассчитано, если известны реологические параметры цементного раствора — пластическая вязкость и динамическое напряжение сдвига. Измерения этих параметров сложны и трудоемки.  [7]

Подвижность цементного раствора определяют для выяснения возможности прокачивания его в скважину насосом.  [8]

Подвижность цементного раствора обусловливается гидравлическим сопротивлением, которое оказывает цементный раствор прокачиванию по циркуляционной системе скважины. Гидравлическое сопротивление может быть рассчитано, если известны реологические параметры цементного раствора — пластическая вязкость т) и динамическое напряжение сдвига т0 которые могут быть найдены с помощью капиллярного или ротационного вискозиметров. При испытании цементных растворов в производственных условиях используют косвенные методы оценки прокачиваемости по растекаемости и с помощью консистометра.  [9]

Улучшаются подвижность цементных растворов и связь цементного камня со стенками скважины и обсадной колонной.  [10]

Повышение подвижности цементных растворов ( в период их жидкого состояния до начала схватывания) при введении реагентов-разжижителей определяется снижением пластической ( структурной) вязкости и предельного динамического напряжения сдвига. Растекаемость тампонажных растворов на базе доменных шлаков может быть увеличена добавками бихромата натрия, калия, хромпиком и другими реагентами.  [11]

Повышение подвижности цементных растворов ( в период их жидкого состояния — до начала схватывания) при введении реагентов-разжижителей определяется снижением пластической ( структурной) вязкости и предельного динамического напряжения сдвига. Растекаемость тампонажных растворов на базе доменных шлаков может быть увеличена добавками бихромата натрия, калия, хромпика и других реагентов.  [12]

Инертные минеральные добавки увеличивают подвижность цементного раствора и снижают его седиментационную устойчивость.  [13]

При высоких температурах и давлениях время, в течение которого подвижность цементного раствора остается удовлетворительной, может оказаться недостаточным для завершения цементирования. При низких положительных температурах процесс загустевания может идти настолько медленно, что цементный раствор в течение длительного времени после окончания цементирования остается жидким. Это отрицательно сказывается на качестве разобщения пластов. При отрицательных температурах, например, в зонах многолетнемерзлых пород, цементный раствор вообще может не схватиться, замерзнет лишь вода затворения.  [14]

Продолжительность процесса цементирования ограничивается прежде всего тем, что во времени подвижность цементного раствора ухудшается, он загустевает и превращается в труднопрокачиваемую массу. Как правило, даже цементирование глубокой скважины ограничивают 1 5 — 2 ч, используя для этого большое число мощных цементировочных агрегатов, что увеличивает стоимость скважины.  [15]

Добыча нефти и газа

нефть, газ, добыча нефти, бурение, переработка нефти

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЦЕМЕНТНОГО РАСТВОРА И КАМНЯ

Свойства цементного раствора зависят от многих факторов, таких как химико-минеральный состав, качество и количество наполнителей, водоце-ментное отношение, количество и природа химических наполнителей, ре­жим перемешивания, температура, давление и др.

Основные свойства цементного раствора применительно к скважинам следующие: водосодержание, подвижность (растекаемость), плотность, по­казатель фильтрации, динамическое сопротивление сдвигу, структурная вязкость, седиментационная устойчивость, время загустевания, сроки схва­тывания и некоторые другие. К свойствам цементного камня следует отне­сти механическую прочность, проницаемость, объемные изменения, корро­зионную устойчивость в агрессивных средах и модуль упругости.

Свойства цементных растворов и камня могут быть изменены введе­нием наполнителей, активных добавок или обработкой химическими реа­гентами.

Водосодержание. Водосодержание характеризуется водоцементным отношением, т.е. отношением массы воды к массе твердого тампонажного материала. Для стандартных тампонажных портландцементов с удельной поверхностью 2500 — 3500 см2/г водоцементное отношение может колебать­ся в пределах от 0,5 до 0,6.

Растекаемость. Важное свойство цементного раствора — подвижность, которую в начальный момент после затворения определяют с помощью усеченного конуса АзНИИ путем отсчета среднего диаметра расплывшего­ся раствора в двух направлениях (наибольшее и наименьшее).

Плотность. Одна из важных характеристик цементного раствора — плотность. Она зависит от плотности сухих тампонажных материалов и жидкости затворения, а также от водоцементного отношения. Это практи­чески единственный показатель качества раствора, контролируемый в про­цессе его приготовления и транспортирования в скважину.

Для стандартного цементного раствора при В/Ц = 0,5 (в соответствии с требованиями ГОСТ 1581—85) его расчетная плотность составляет 1,81 — 1,85 ã/ñì3.

В промысловых условиях ее чаще всего определяют с помощью арео­метров АГ-1 и АГ-2 в каждой точке затворения независимо от наличия станции контроля цементирования СКЦ, которая обеспечивает автоматиче­скую регистрацию и запись средней плотности закачиваемого в скважину раствора. Непрерывный контроль плотности тампонажного раствора дости­гается применением радиоактивных плотномеров.

Показатель фильтрации. Под воздействием перепада давления в це­ментном растворе происходит процесс водоотделения, который называется фильтрацией. Скорость фильтрации в значительной мере зависит от при­нятого В/Ц: она обратно пропорциональна квадрату удельной поверхности цемента (тонкости помола), количеству наполнителя и вязкости жидкой фазы цементного раствора.

Вследствие высокой фильтрации цементный раствор становится вяз­ким, труднопрокачиваемым, сроки схватывания его ускоряются, в резуль­тате образования толстых цементных корок возможен прихват обсадной колонны во время ее расхаживания.

Фильтрация цементного раствора может быть определена с помощью специального прибора УВЦ, разработанного во ВНИИКАнефтегазе, или прибора ВМ-6, который применяется для измерения фильтрации бурового раствора при давлении 0,1 МПа (в этом случае говорят о предельной фильтрации за определенное время).

Седиментационная устойчивость. Под седиментационной устойчиво­стью подразумевают способность частиц тампонажного раствора оседать в жидкости затворения под действием сил тяжести. Этот параметр зависит

от разности плотностей твердой и жидкой фаз тампонажного раствора, микроструктуры порового пространства, вязкости жидкости затворения.

Вследствие сильно развитой межфазной поверхности тампонажные растворы агрегативно неустойчивы. О характере и степени седиментаци-онных перемещений в основной части столба тампонажного раствора с достаточной точностью можно судить по характеру и степени перемеще­ний верхнего уровня твердой составляющей раствора.

При цементировании обсадных колонн в газовых скважинах и сква­жинах с наличием зон АВПД появляется необходимость нормирования се-диментационной устойчивости тампонажных растворов, для повышения которой может быть рекомендован к использованию весь комплекс меро­приятий по снижению показателя фильтрации цементных растворов.

Загустевание. Спустя некоторое время после затворения и механиче­ского перемешивания начинает проявляться способность цементных рас­творов к структурообразованию, которое выражается последовательно в загустевании и схватывании растворов. Загустевание тампонажных раство­ров оценивают консистометром.

Существенно влияют на загустевание цементных растворов природа цемента, тонкость его помола, В/Ц, температура, давление и некоторые другие факторы.

Увеличить время загустевания тампонажных растворов можно, ис­пользуя замедлители процессов структурообразования, качество и количе­ство которых подбирают с учетом конкретных условий скважин (к числу замедлителей относятся ССБ, КМЦ, гипан НТФ, ОЭДФ, ВКК, хромпик и др.).

Сроки схватывания. Возможность применения тампонажных раство­ров в отечественной практике в большинстве случаев определяется срока­ми схватывания, которые зависят от химикоминерального состава цемента, его удельной поверхности, В/Ц, химических реагентов, вводимых в рас­твор, температуры, давления и других факторов.

При прочих равных условиях с повышением удельной поверхности цемента и уменьшением В/Ц сроки схватывания цементного раствора уменьшаются. На их уменьшение температура влияет более существенно, чем давление, а их совместное воздействие еще эффективнее.

Механическая прочность цементного камня. Прочность тампонажного камня характеризуется временным сопротивлением сжатию, растяжению или изгибу. Изготовленные определенной формы образцы цементного камня испытывают на прочность, причем определяют напряжение, соот­ветствующее разрушению образца.

Механическая прочность цементного камня зависит от многих факто­ров, основными из которых являются химико-минеральный состав цемента, В/Ц, удельная поверхность цемента, наличие наполнителей и химических добавок, условия твердения и др. Существенно влияют на прочность це­ментного камня также температура и давление.

Проницаемость цементного камня. Под проницаемостью цементного камня понимают его способность пропускать через себя жидкости или га­зы при определенном перепаде давления. Для обеспечения надежного раз­деления пластов цементный камень в затрубном пространстве должен иметь минимально возможную проницаемость для пластовых флюидов.

Проницаемость цементного камня изменяется в процессе его тверде­ния и существенно зависит от природы цемента и наполнителей, В/Ц, ус­ловий и времени твердения и т.д.

Прибор для определения вязкости тампонажного цементного раствора

Опубликовано в «Бюллетене изобретений» № 21 за 1962 г.

Известны приборы для определения вязкости тампонажного цементного раствора, состоящие из основания, гидравлического пресса и калибровочного конуса. Недостатком указанных приборов является невозможность оценки реологических свойств раствора в период его схватывания без нарушения первоначальной структуры.

В предлагаемом приборе эти недостатки устранены благодаря тому, что он выполнен в виде неподвижно закрепленного цилиндра с пустотелым плунжером, несущим указательную стрелку, и патрубка с калибровочным конусом, размещенным в полости плунжера.

На чертеже схематически изображен предлагаемый прибор.

Основание 1 прибора поворотно закреплено на шарнире 2 н при установке в вертикальное положение фиксируется шпилькой, вставляемой в отверстие 8 в кронштейне 4 и отверстие 5 в стойке б. На основании

1 жестко закреплен цилиндр 7, в котором помещен пустотелый плунжер 8, несущий указательную стрелку 9, перемещающуюся вдоль шкалы 10. В плунжере 8 свободно помещен патрубок 11, имеющий на своем правом конце калибровочный конус 12, размещенный в полости плунжера 8. На левом конце патрубка 11 имеется выступ 13, входящий в паз 14 корпуса прибора и, предотвращающий смещение патрубка при движении плунжера влево. В патрубок l11 вставлена трубка 15 для смыва водой прилипших к стенкам патрубка остатков раствора. Кроме того, на основании 1 смонтирован насос 1б, подающий через трехходовой кран 17 рабочую жидкость из резервуара 18 в цилиндр 7.

Перед началом испытания раствора прибор устанавливают в вертикальное положение и через патрубок 11 заполняют плунжер 8 испытуемым раствором, затем переводят прибор в горизонтальное положение. При этом основание прибора находится не в строго горизонтальМ. 15!50!

5″ ном положении, так как его левая часть имеет уклон примерно в 5 .

Патрубок ll поворачивают на 180, чтобы выступ И попал в паз ll4.

После этого через равные промежутки времени приводят в действие насос lб, который за один рабочий ход подает в полость цилиндра 7 такое количество рабочей жидкости, которое обеспечило бы перемещение плунжера 8 на одно деление шкалы 10.

Так как исследуемый раствор, помещенный в плунжер Т во все время его исследования остается неподвижным, то при выдавливании раствора из плунжера в наконечник и определения при этом времени загустения, а следовательно, его вязкости, структура раствора не нарушаетсяся.

Усилие, требуемое для продавливания раствора в наконечник, по которому определяется степень его вязкости, отмечается манометром 19.

Прибор для определения вязкости тампонажного цементного раствора, включающий основание, гидравлический пресс и калибровочный конус, отличающийся тем, что, с целью обеспечения возможности оценивать реологические свойства раствора в период его схватывания без нарушения первоначальной структуры, он выполнен в виде неподвижно закреплен ного цилиндра с пустотелым плунжером, несущим указательную стрелку, и патрубка с калибровочным конусом, размещенным в полости плунжера. № 151501

Архив WinRAR_1 / Лекции_ХИМИЯ

Метод основан на измерении показания угла поворота цилиндра вискозиметра при различных скоростях вращения, при увеличении скорости θ УВ , а затем, обратно, при снижении скорости θ УМ . После снятия показаний на разных скоростях определяют статическое напряжение сдвига (СНС) при 3 об/мин после 10 сек и 10 мин состояния покоя

Ротационный вискозиметр имеет три константы:

k 1 — торсионная константа на единицу отклонения, зависит от жесткости пружины

k 2 — константа напряжения сдвига для эффективной площади внутри цилиндра [см -3 ]

k 3 — константа скорости сдвига [сек -1 /об/мин]

Используя эти константы и снимаемые с прибора показания можно рассчитать ряд реологических параметров исследуемого раствора:

Скорость сдвига [сек -1 ] γ=k 3 n Напряжение сдвига [Па] τ= k 1 k 2 θ Вязкость [Па*сек] η=

Для каждой скорости можно вычислить отношение углов закручивания.

то раствор считается неосаждающимся, свойства не зависят от времени при средней температуре теста;

, то раствор считается склонным к осаждению;

, то раствор считается склонным к гелеобразованию;

Для расчета в полевых условиях применяют следующие формулы:

Кажущаяся вязкость [сПз] Пластическая вязкость [сПз] η пл = θ 600 — θ 300

Приблизительное значение динамического напряжения сдвига [Па]

τ 0 =0,479 ( θ 300 — η пл )

Точное значение динамического напряжения сдвига [Па] τ 0 =0,51 (

Где θ 300 и θ 600 — показание вискозиметра при 300 и 600 об/мин соответственно

Растекаемость цементного раствора

В течение времени, пока цементный раствор закачивают в заданный интервал скважины, он должен оставаться легкоподвижным. Растекаемость

— это условная мера подвижности или прокачиваемости свежеприготовленного раствора. Ее измеряют по ГОСТ 26798.1-96 с помощью прибора, называемого КР-1 (конус АзНИИ).

Цементный раствор наливают в конус вровень с верхним торцом. Затем конус без промедления плавно поднимают вверх. Раствор растекается по стеклу, покрывающему шкалу. Средний диаметр круга расплыва цементного раствора характеризует растекаемость раствора.

Цементный раствор считают достаточно подвижным, если его растекаемость равна не менее 18 см. Растекаемость зависит от тонкости помола цемента. Увеличить ее можно повышением водоцементного отношения или введением в раствор реагента-понизителя вязкости (пластификатора).

Консистенция и сроки загустевания цементного раствора

Спустя некоторое время после затворения и механического перемешивания начинает проявляться способность цементных растворов к структурообразованию, которое выражается последовательно в загустевании и схватывании растворов. Время загустевания должно быть несколько больше времени, потребного для приготовления, закачивания и продавливания тампонажного раствора в тампонируемую полость.

Определение сроков загустевания и времени схватывания цементного раствора основано на методе измерения консистенции при создании условий,

приближенных к условиям внутри скважины, с помощью консистометра высокого давления модели CHANDLER 7222. Диапазон изменений давления

– от атмосферного до 154 МПа, диапазон изменения температур – от 0 до 205°С. Консистометр высокого давления CHANDLER 7222 имеет встроенный графопостроитель, который рисует кривые изменения давления, температуры, консистенции.

Сроки схватывания цементного раствора — время теста между моментом запуска температуры и давления на консистометре высокого давления и моментом, при котором консистенция раствора достигает 100 В с .

Сроки загустевания цементного раствора — Время теста между моментом запуска температуры и давления на консистометре высокого давления и моментом, при котором раствор оказывается не прокачиваемым. По спецификации 10А АНИ это время соответствует значению консистенции равном 70 В с , а по ГОСТ 26798.1-96 это время соответствует значению консистенции 30 УЕК.

Примечание: 1Вс=1УЕК=0,1 Па*с=1cPs.

Cроки схватывания цементного раствора

При проведении цементировочных работ необходимо знать срок, в течение которого цементный раствор в условиях данной скважины сохраняет подвижность (прокачиваемость), а также срок, необходимый для превращения раствора в камень. Эти сроки называют соответственно началом и концом схватывания и определяют с помощью прибора Вика путем периодического измерения глубины погружения в образец твердеющего раствора иглы стандартного размера под действием постоянной нагрузки. Промежуток времени от момента затворения до момента, когда игла при погружении в образец не доходит до дна кольца с раствором на 1-2 мм, называют сроком начала схватывания . Промежуток времени от момента затворения до момента, когда игла погружается в раствор не более чем на 1

мм, называют сроком конца схватывания .

Прибор Вика ОГП-1 предназначен для определения сроков схватывания цементного раствора при атмосферном давлении.

Для определения сроков схватывания при температурах до 250°С и давлениях до 100 МПа предназначена установка УС-1М. Также для различных термобарических условий используют ультразвуковой анализатор прочности цементного камня CHANDLER 4262.

Водоудерживающие свойства Седиментационная устойчивость цементного раствора

Под седиментационной устойчивостью подразумевают способность частиц тампонажного раствора удерживаться в жидкости затворения во взвешенном состоянии под действием сил тяжести. Раствор не обладающий удовлетворительной седиментационной устойчивостью, способен в покое расслаиваться на твердую и жидкую фазы, в нем могут образовываться каналы и трещины в различном направлении.

Седиментационную устойчивость цементного раствора оценивают по:

Коэффициенту водоотделения цементного раствора

Седиментации цементного раствора

Водоотделение цементного раствора

В составе цементного раствора всегда присутствует дисперсионная среда и дисперсная фаза. В качестве дисперсной фазы выступает цементный порошок и добавки, нерастворимые в дисперсионной среде. Дисперсионной средой является жидкость затворения. При затворении цементного раствора примерно третья часть жидкости затворения идет на реакцию с компонентами цементного порошка. Остальная часть в виде свободной воды позволяет раствору иметь ту или иную подвижность.

Со временем эта свободная вода может выделяться из раствора, и возможно его расслоение на пачки цемента и воды, образование каналов, по которым поднимается вверх жидкость затворения. В реальных условиях скважины это означает, что по этим каналам и расслоениям в процессе

дальнейшей эксплуатации может поступать пластовый флюид. Таким

образом, прочного надежного сцепления и герметизации в заколонном пространстве скважины мы не получим.

Этот процесс, проходящий в статических условиях, назван

водоотделением , его характеризует коэффициент водоотделения

цементного раствора (n в %).

Методы измерения коэффициента водоотделения основаны на измерении количества (Vв) выделившейся воды из цементного раствора через два часа покоя. Измерения проводят с помощью 500 мл конической колбы (в соответствии со спецификацией 10А АНИ) или 250 мл мерного цилиндра (в соответствии с ГОСТ 26798.1-96)

Коэффициент водоотделения (n в %) для цементного раствора при любом способе тестирования

где Vв — объем выделившейся жидкости, мл

Vцр — объем испытуемого цементного раствора, мл

Чтобы в заколонном пространстве создавался прочный и надежный камень, и была бы обеспечена герметичность крепи, цементный раствор должен выделять не более 2% воды от общего объема раствора. Такое требование предъявляют на цементный раствор все применяемые в мире стандарты и спецификации по техническим условиям и методам испытаниям цементных растворов.

Для снижения количества выделяющейся воды в раствор вводят специальные добавки, связывающие воду.

Седиментация цементного раствора

Для качественной оценки седиментационной устойчивости используются два цилиндра 250 мл, установленные один вертикально, другой под углом 10-15 C. Если цементный раствор седиментационно неустойчив, в нем образуются каналы, трещины или пояса, заполненные дисперсионной средой, причем по каналам дисперсионная среда поднимается вверх, пока не

завершится процесс седиментации. Результатами наблюдений является запись характера изменения структур в течение времени, а также различия в характере изменения структуры столбов растворов в вертикальном и наклонном цилиндрах.

Водоотдача цементного раствора

Вода, выделившаяся из цементного раствора в проницаемый пласт, называется фильтратом цементного раствора. В результате выделения фильтрата изменяются все важные свойства цементного раствора, сокращается срок загустевания, вязкость повышается, уменьшается выход раствора. Если выделение фильтрата происходит в зоне продуктивного пласта, возможно ухудшение коллекторских свойств пласта. Добавки, контролирующие водоотдачу, в большинстве случаев предотвращают выделение большого количества фильтрата из раствора.

В цементных растворах с высокой водоотдачей могут возникать водо- и/или газоперетоки, мгновенное схватывание в результате дегидратации, или повышение вязкости раствора. Последнее неизбежно ведет к повышению давления прокачки и возможно в результате к потере циркуляции.

Специалисты в области цементирования скважин предлагают следующие нормы для количественной оценки водоотдачи, при различных операциях по цементированию.