щ
технологии
Разработка тампонажных материало повышенной ударной прочности
Г.Г. ИШБАЕВ,
д.т.н., профессор, генеральный директор
М.Р. ДИЛЬМИЕВ,
начальник службы буровых растворов
Р.Р. ИШБАЕВ,
к.т.н., заведующий лабораторией крепления скважин
Т.Р. ЛАТЫПОВ,
инженер-технолог III категории
ООО НПП «БУРИНТЕХ»
bit@burinteh.com
БУРИНТЕХ
В течение всего периода строительства и эксплуатации скважины цементное кольцо подвергается ударным и циклическим нагрузкам, что не может не сказываться на качестве крепи. В связи с этим становится актуальным вопрос разработки специализированных тампонажных систем, предназначенных для скважин, подвергающихся значительным динамическим нагрузкам, которые смогут обеспечить целостность цементной колонны.
Ключевые слова: ООО НПП «БУРИНТЕХ», цементный камень, крепь скважины, динамические нагрузки, фибра, армирование, разрушение, деформация
DEVELOPMENT OF GROUTING MATERIALS wITH HIGH IMPACT STRENGTH
G. ISHBAEV, M. DIL'MIEV, R. ISHBAEV, T. LATYPOV, NPP «BURINTEKH» LLC
Throughout the all period of construction and exploitation of the well, the cement stone is subjected to shock and cyclic loads, which can not affect the quality of well cement. In this regard, the most relevant question to development specialized of plugging systems for wells exposed to significant dynamic loads, which can ensure the integrity of the cement stone.
Keywords: OOO NPP «BURINTEKH», cement stone, the lining of the borehole, dynamic load, fiber, reinforcement, fracture, strain
Как правило, тампонажные портланд-цементы характеризуются низкой деформационной устойчивостью, в результате чего цементный камень не способен противостоять динамическим нагрузкам [1, 2]. Такие операции, как вторичное вскрытие пласта, освоение скважины и гидроразрыв пласта (ГРП), оказывают сильные динамические нагрузки, что ведет к разрушению цементного камня. Самые большие нагрузки цементное кольцо испытывает при ГРП. Гидроразрыв пласта производят при давлении до 30 МПа, помимо этого нагрузка на пласт имеет не только динамический характер, но и статический, поскольку воздействие на пласт происходит длительное время: 1,5 - 2 часа [3]. В результате после воздействия перфорации и ГРП цементное кольцо может быть полностью разрушено, и это, в свою очередь, может привести к перетокам, преждевременному обводнению продуктивных горизонтов. Таким образом, цементный камень за обсадной колонной является одновременно как одним из наиболее важных звеньев, оказывающим влияние на длительность эксплуатации скважины, так и наиболее уязвимым.
С каждым годом происходит увеличение фонда скважин, на которых производится гидроразрыв пласта. Уже сегодня данный метод обеспечивает более 40% дополнительной добычи нефти по всей России.
Цементный камень за обсадной колонной является одновременно, как одним из наиболее важных звеньев, оказывающим влияние на длительность эксплуатации скважины, так и наиболее уязвимым.
В связи с этим становится актуальным вопрос разработки специализированных тампонажных систем, предназначенных для скважин, подвергающихся значительным динамическим нагрузкам, которые смогут обеспечить целостность цементной колонны.
Уже проведено множество работ, посвященных повышению стойкости цементного камня к динамическим нагрузкам. Подходы к решению данной проблемы различны, однако большинство авторов сходятся во мнении, что портландцемент при всех его достоинствах обладает существенными недостатками - по мере увеличения прочности цементного камня растет и его хрупкость, а также портландцемент обладает низкой прочностью на растяжение [4 - 8]. Для борьбы с этими недостатками предлагается несколько решений. Так, например, в работах российских авторов [9 -10] рассматривается
Табл. 1. Результаты испытания по оценке эффективности различных добавок с целью повышения ударной прочности тампонажного камня
Состав В/Ц Дср, см Прочность на изгиб, МПа (Т=75°С) Прочность на сжатие МПа (Т=75°С) Энергия трещинооб-разования, Дж
1 сут 3 сут 7 сут 1 сут 3 сут 7 сут
ПЦТ-1-G 0,44 2 4 8,2 9,2 7,3 31,2 38,6 39,4 1,666
ПЦТ-1-G + 0,2% ГЭЦ-LV + 0,05% Суперпластификатор 0,44 25,5 77 9,6 9,4 29,3 36,8 45,6 1,568
ПЦТ-1^+ 10% ДР-100 + 0,2% ГЭЦ-LV + 0,05% Суперпластификатор 0,44 24 6,3 7,8 8,3 19,3 26,8 30,8 2,156
ПЦТ-1-G + (2% Латексный полимер от массы воды) 0,44 24 6,5 8,5 8,5 28,3 31,3 33,8 1,764
ПЦТ-1-G + (2% Al2(SO4)3 от массы воды) 0.44 23 9,8 11,7 10,5 28,4 44,3 51,1 1,666
технологии т
Табл. 2. Результаты испытаний эффективности применения полипропиленового и базальтового фиброволокна
Состав В/Ц Дср, см Прочность Прочность на изгиб, на сжатие, МПа (Т=75°С) МПа (Т=75°С) Энергия трещинооб-разования, Дж
1 сут 3 сут 7 сут 1 сут 3 сут 7 сут
ПЦТ-1-0 + 0,2% Полипропиленовое волокно (6 мм) 0,44 24 9 9,8 10,9 со 7 38,9 42,5 2,156
ПЦТ-1-0 + 0,5% Полипропиленовое волокно (6 мм) 0,44 21,9 8,3 9,4 9,4 33,4 36,6 39,2 2,254
ПЦТ-1-0 + 0,2% Базальтовое волокно (12 мм) 0,44 22,3 10,1 12 11,1 30 40,8 41,8 2,646
ПЦТ-1-0 + 0,5% Базальтовое волокно (12 мм) 0,44 18,8 9 9,3 10 276 37,2 38,8 2,
Рис. 2. Формы дисков
Рис. 1. Прибор для определения прочности покрытий при ударе
применение фиброармирования как способа повышения стойкости цементного камня к динамическим нагрузкам. По результатам проведенных исследований [10] наблюдалось повышение удельной ударной вязкости разрушения на 30 - 75%, а также увеличение прочности на растяжение на 20 - 100%, в зависимости от содержания фиброволокна.
Особый интерес к повышению стойкости цементного камня к динамическим нагрузкам проявляют зарубежные фирмы. Они, например, нашли несколько методов борьбы с ударными и циклическими нагрузками, используя в составе тампонажной смеси эластомеров, которые обеспечивают демпфирующий эффект, тем самым позволяя «гасить» ударные нагрузки, а также пеноцемент, где та же роль отведена пузырькам газа.
Сегодня в ГОСТ 1581 - 96 не существует методов оценки стойкости тампонажного материала к ударным нагрузкам. В связи с этим возникают проблемы в оценке качества тампонажного камня. ООО НПП «БУРИНТЕХ» предлагает использовать прибор для определения прочности покрытий при ударе (ИСО 6272-2002, ГОСТ Р 53007-2008). Прибор (рис. 1) применяется в заводских лабораториях при входном контроле покрытия, в процес-
се производства, а также в полевых условиях при проведении эксплуатационных работ - для испытаний металлов, пластмасс, паркета, деревянных панелей, керамики, бетона, наливных полов и т.д.
Под устойчивостью материала к ударным нагрузкам понимается его способность эффективно сопротивляться разрушающему действию динамических нагрузок, в том числе воздействию внезапно приложенных сил, при которых скорости деформации материала достигают значительных величин [11]. Данный прибор позволяет определить ударную нагрузку, при которой начинается разрушение цементного камня. Суть лабораторных испытаний состоит в том, чтобы определить энергию удара, при которой начинается трещи-нообразование в цементном камне, и влияние добавки в тампонажный раствор на ударную прочность. Для проведения испытаний были изготовлены специальные формы колец (рис. 2), в которые заливался исследуемый тампонажный раствор. После этого полученные диски тампонажного камня помещались под молот и проверялась их стойкость к ударным нагрузкам. В качестве критерия оценивалась энергия, необходимая для образования трещин в дисках.
По данной методике были проведены испытания по оценки эффективности различных добавок с целью повышения ударной прочности тампонажного камня (табл. 1).
По результатам проведенных экспериментов видно, что ударная стойкость тампонажного камня никак не зависит от прочности на изгиб и сжатие. Так, например, тампонажный раствор, в состав которого входит расширяющаяся добавка на основе оксида кальция, по ГОСТ 1581 - 96 имеет самые низкие показатели прочности, но при этом обладает достаточно высокой стойкостью к ударным нагрузкам (на 29% выше по сравнению с ПЦТ-1-0). Устойчивость цементного камня к динамическим нагрузкам будет напрямую зависеть от способности цементной матрицы к деформации. По этой причине воздухововлекающие, демпфирующие и армирующие добавки будут иметь большую эффективность с точки зрения повышения ударной стойкости цементного камня, чем суперпластификаторы и электролиты, повышающие прочность на изгиб и сжатие.
Армирование тампонажного раствора при помощи фибрволокон, помимо повышения стойкости к ударным
Уже проведено множество работ, посвященных повышению стойкости цементного камня к динамическим нагрузкам. Подходы к решению данной проблемы различны, однако большинство авторов сходятся во мнении, что портландцемент при всех его достоинствах обладает существенными недостатками - по мере увеличения прочности цементного камня растет и его хрупкость, а также портландцемент обладает низкой прочностью на растяжение.
КЗ технологии
5S d
Рис. 3. Диск, армированный базальтовым волокном
Рис. 4. Диск, армированный полипропиленовым волокном
4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1
0,5 0
Рис. 5. Разрушенный диск с полипропиленовым волокном
ПЦТ-1-G
ПЦТ-1-Э + 0,2% ГЗЦ-О/ + 0,05% Суперпластификатор
ПЦТ-1-С+ 10% ДР-100 + 0,2% ГЗЦ-О/ + 0,05% Суперпластификатор
ПЦТ-1-Э + (2% Латексный полимер от массы воды)
ПЦТ-1-Э + 0,5%
Полипропиленовое волокно(6 мм)
ПЦТ-1-Э + 0,5% Базальтовое волокно (12 мм)
В1Т-Сет-Агт
Рис. 6. Влияние различных добавок на ударную прочность цементного камня
ПЦТ-1-G
6
1
3 4 5 6 Время выдержки, сут
■ - ПЦТ-1-Э + 0,2% ГЭЦ-Ц/ + 0,05% Суперпластификатор
ПЦТ-1-С+ 10% ДР-100 + 0,2% ГЭЦ-Ц/ + 0,05% Суперпластификатор
—- ПЦТ-1-Э + (2% Латексный полимер от массы воды)
— ПЦТ-1-Э + 0,5% Полипропиленовое волокно (6 мм)
-*-■ ПЦТ-1-Э + 0,5% Базальтовое волокно (12 мм)
— ПЦТ-1-Э (2% Al2(SO4)3 от массы воды)
— В1Т-Сет-Агт
Рис. 7. Влияние различных добавок на прочность цементного камня на изгиб
нагрузкам, может снижать усадочное растрескивание цементного камня при твердении [10], а также при значительных деформациях растяжения сдерживает раскрытие трещин [12]. Таким образом, с то
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.