06_2007_1blok.qxd 6/8/2007 4:41 PM Page 16
наука — производству
16
■в-.
Реохимическая активация водоцементных смесей газогенерирующими агентами
А.Х. ШАХВЕРДИЕВ, д.т.н., академик, генеральный директор, Институт системных исследований процессов нефтегазодобычи (ИСИПН) РАЕН
Г.М. ПАНАХОВ, д.т.н., академик, руководитель лаборатории, Э.М. АББАСОВ, к.т.н., ведущий научный сотрудник, Институт математики и механики НАН Азербайджана
Эффективность технологической операции цементирования нефтяных и газовых скважин в значительной степени зависит от течения физико-химических процессов в тампонажных растворах при их твердении, которые и определяют конечное структурное и фазовое состояние формирующегося цементного камня [1].
Учет этих факторов при креплении нефтяных и газовых скважин крайне важен с целью предотвращения целого ряда осложнений — нефтегазопроявле-ний, межпластовых перетоков, катастрофического обводнения скважин и т.д., ведущих к значительным материальным издержкам при эксплуатации нефтегазовых залежей [1,2].
В этой связи достаточно эффективным методом в практике исследования процессов цементирования заколонного пространства скважин может быть рассмотрение его как единой термодинамически неустойчивой системы. Такое состояние тампонажного раствора определяется, прежде всего, тем, что после затворения сухой цементной массы водой он представляет собой как компонентно, так и реологически сложную полидисперсную гетерогенную систему с седиментационной и термодинамической неустойчивостью.
Уже на начальном этапе нагнетания тампонажного раствора в зону цементирования в нем начинают протекать поверхностно-механические нестационарные процессы массообмена дисперсионной среды (жидкости затворения) и дисперсной фазы (цементных флоккул). На этой стадии энергия на поверхности раздела фаз расходуется на объемные изменения в системе и данный этап играет важную роль в процессе активации водоцементной смеси.
Процесс активации цементного раствора является важным условием получения и сохранения герметичности цементного камня, достигаемой различными путями. К ним можно отнести: механическое воздействие на тампонаж-ный раствор, гидравлические методы, предотвращающие развитие восходящих гидродинамических потоков, введение в тампонажную смесь различных добавок, электрофизическое воздей-
REOCHEMICAL ACTIVATION OF WATER-CEMENT MIXES BY GAS GENERATOR AGENTS
A. SHAKHVERDIEV, ISIPN RAEN
G. PANAKHOV, E. ABBASOV, Azerbaijan Institute of Mathematics and Mechanics
In the work represents the results of researches of water-cement mixes activation by creation
artificial cavitation in the cement slurries.
ствие, интенсификацию образования ге-леобразной массы в водоцементной смеси и т.д. [3].
В представленной работе приведены результаты исследований активации во-доцементных смесей путем создания искусственной кавитации в объеме тампонажного раствора. В отличие от традиционных способов активации смесей созданием режима турбулизации струи в предлагаемом способе это достигается включением в состав цементных смесей газогенерирующих компонентов, термохимическая реакция которых в водной среде протекает с образованием газовых пузырьков в газо-выделяющем водном растворе.
Метод предполагает использование в качестве водной основы цементных растворов воду с водородным показателем рН=3 ■ 5 (так называемые кислые воды), что стимулирует процесс интенсивного газообразования в объеме тампонажно-го раствора, включающего добавки га-зовыделяющих компонентов [1]. В качестве последних в наших исследованиях использовались слабые соли угольной кислоты (карбонат кальция — СаС03, гидрокарбонат натрия — №НС03, кальцинированная сода или карбонат натрия — №2С03. Интенсивное газообразова-
ние в смеси идет параллельно с процессом схлопывания пузырьков образующегося газа (СО2), что стимулирует появление локальных скачков давления и активизирует разрушение цементных частичек.
Проявление искусственной активации в процессе газогенерации обязано изменению радиуса кривизны поверхности гомогенных зародышей новой фазы. При деформации зародышей нарушается лапласовское условие их устойчивого равновесия с окружающей средой и они переходят в разряд критической и сверхкритической формы.
Кинетика выделения газовой фазы и размер образующихся пузырьков зависят от специфичных закономерностей, присущих данному случаю. Давление Р в растущем газовом пузырьке подчиняется уравнению состояния:
р щ ЩТ Л ш кТ
Сила поверхностной энергии компенсирует это давление, определяемое уравнением: Рс = 2сжг/гг
Кроме того, здесь следует учесть силы, необходимые для преодоления вязкого сопротивления при расширении пузырька в водоцементной смеси, как
Рис. 1. Динамика изменения объема генерируемого газа при реакции водных растворов газогенерирующих агентов с различными значениями рН
Рис. 2. Изменение прочностных характеристик тампонажного камня
при реохимической активации газонасыщенной цементной смеси
БУРЕНИЕ И НЕФТЬ 06/2007
-Q-
06_2007_1blok.qxd 6/8/2007 4:41 PM Page 17
О
наука — производству frl
Табл. 1. Параметры тампонажных растворов без и при реохимической активации водоцементных смесей
без активации:
Состав Плотность, Растекае- Сроки схватывания, ч, мин Относительная во- Прочность при
начало конец % МПа
Пресная вода 1,43 21 11:15 13:10 38 21,2
Пресная вода 1,45 23 12:50 14:30 41 20,6
Пресная вода 1,46 23 11:40 13:30 42 21,8
при активации:
«Кислая» вода рН=3 + кальцинированная сода Ыа2С03 (5%) 1,46 18 10:20 12:05 19 28,5
«Кислая» вода рН=3 + кальцинированная сода Ыа2С03 (9%) 1,49 17 11:00 12:20 21 30,1
«Кислая» вода рН=3 + кальцинированная сода Ыа2С03 (12%) 1,53 19 12:00 13:15 18 32,4
вязкопластичной среды. Данная смесь ведет себя как тело Шведова-Бингама, а при деформации раствора, представляющего собой несжимаемую среду, происходит лишь сдвиг одних слоев относительно других, т.е. Р^ = от,
где Р^ — давление, необходимое для деформации раствора вокруг растущего пузырька; ст — предельное напряжение сдвига пленки раствора.
Тогда расширение газового пузырька
в водоцементном растворе должно
удовлетворять следующему условию: 3 гтт
аIг 4 Дл ---*Г .
где т — масса газа; М — молекулярная масса газа.
Кавитация в растворе будет иметь место при быстром расширении газового пузырька в объеме жидкости. При малом времени пребывания пузырьков в зоне пониженного давления при перемешивании раствора и сразу же после попадания жидкости в область нормального или повышенного давления происходит их схлопывание [4, 5].
Оценка показывает, что тампонажная смесь, имеющая размерность сТ = 102 Па, сжг ~ 6,4 .10-3Па, удовлетворяет условию расширения пузырька углекислого газа размером гГ > 1,7 мм.
Стехиометрическая реакция, протекающая между газовыделяющими компонентами смеси, в большинстве случаев позволяет достичь благоприятных для расширения пузырьков условий.
Реакции подобного рода протекают в объеме цементных растворов, в качестве водной основы в которых используются так называемые кислые воды (с водородным показателем рН = 3 ■ 5) с добавлением газовыделяющих компонентов — гидрокарбоната натрия. Газообразование в системе стимулирует процесс активации цементных частиц в тампонажном растворе.
Нами были проведены эксперименты по определению влияния водородного показателя на объем газа, генерируемо-
БУРЕНИЕ И НЕФТЬ 06/2007
го в процессе реохимической реакции газовыделяющих агентов.
Исследования проводились при постоянном термостатировании системы при температуре Т = 20°С и различных объемных соотношениях газовыделяю-щего и газогенерирующего агентов — водного раствора карбоната натрия №2С03 и «кислой» воды с различными значениями водородного показателя.
В проведенных экспериментах концентрация карбоната натрия в водном растворе составляла 12%, а значение водородного показателя рН изменялось в пределах от 3 до 6.
На рис. 1 приведены сравнительные результаты экспериментов по изучению динамики изменения объема генерируемого газа при реакции водных растворов карбоната натрия и «кислой» воды с различными значениями рН.
Результаты опытов свидетельствуют о том, что наиболее интенсивное газообразование в среде реагирующих растворов происходит при значении показателя рН = 3. Объем генерируемого газа (диоксида углерода) достаточен для удовлетворительного газонасыщения и тем самым — активизации цементной суспензии.
Процесс был исследован в ходе лабораторных опытов, позволяющих оценить изменение прочностных и реологических характеристик цементной смеси при инициализации процесса газогенерации.
Были приготовлены образцы растворов, затворенные на обычной пресной воде и приготовленные на воде с водородным показателем рН = 3 с включением в состав цементной смеси кальцинированной соды.
Смесь помещалась в емкость РУТ-ячейки и после активного, в течение нескольких циклов, перемешивания исследовалась на сроки схватывания и изменение прочностных и реохаракте-ристик, результаты которых приведены в таблице.
Следует отметить, что в опытах использовались цементы с большим сроком хранения и в значительной степени потерявшие свою активность. Слежавшиеся частицы при продолжительном хранении образуют флоккулы размером от 5 до 8 мм.
Отрицательным свойством таких образований являются низкая седимента-ционная устойчивость, смачиваемость с высоким риском образования каналов в твердеющих бетонных смесях.
Как видно из приведенных в таблице данных, значения которых были получены в первые сутки после схватывания, при использовании реохимической активации водоцементной смеси несколько снижается растекаемость, сокращаются сроки схватывания, существенно снижается водоотдача раствора, а также увеличивается прочность цементного камня на изгиб.
Были также проведены лабораторные исследования по влиянию реохими-ческой активации на показатели прочности цементного камня во времени.
Для этого измерялись показатели прочности цементного камня на изгиб по истечении двух, трех и т.д. до семи суток твердения.
Результаты лабораторных экспериментов, как показано на рис. 2, отчетливо подтверждают влияние реохимичес-ко
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.