CC BY
36БУРЕНИЕ
УДК 622.243.2
Ф.А. Агзамов, д.т.н., профессор, Уфимский государственный нефтяной технический университет; А.С. Шерекин, ЗАО «КВС Интернэшнл»; А.В. Самсыкин, к.т.н.; Р.А. Мулюков, к.т.н., доцент; А.Ф. Хафизов, О.Ю. Шарова, Е.Л. Маликов, ООО «БашНИПИнефть»
ПОВЫШЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КРЕПИ СКВАЖИН ПУТЕМ КОМПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ
Цементный камень как основной конструкционный материал, применяемый для крепления нефтяных и газовых скважин, имеет множество положительных свойств, но в то же время и не лишен существенных недостатков. К их числу относятся, прежде всего, низкая прочность цементного камня на растяжение, малая де-формативность и низкая удароустойчивость. При достаточно хорошей сопротивляемости цементного камня сжатию наблюдается неудовлетворительная сопротивляемость сдвигу и очень слабая - растяжению (в 5-50 раз хуже, чем сжатию) [1].
Физическая природа прочности при разрыве кристаллических материалов, по мнению некоторых ученых [1], связана с дефектностью их микроструктуры и состоянием их поверхности (наличие микротрещин). Трещины в цементном камне, как в материале весьма неоднородном, могут возникать на границе раздела кристаллов новообразований цементного камня, а также на поверхности самих новообразований без изменения их внутреннего строения.Разрыв образца при достижении предела прочности соответствует развитию одной из микротрещин,ориентированной нормально к главным растягивающим напряжениям [4].
По данным В.В. Флекенштайна и ряда других исследователей [4], основной механизм разрушения цементного камня заключается в его растрескивании, вызываемом окружными и растягивающими напряжениями. Данные авторы рекомендуют для создания удароустойчивого цементного камня ориентироваться не только на прочность на сжатие, но и на прочность на растяжение и сдвиг. По их мнению,
для снижения окружных напряжений и улучшения деформационных свойств цементного камня необходимо повышать коэффициент Пуассона и снижать модуль Юнга.
В процессе бурения и эксплуатации скважин часто проводятся технологические операции (гидравлический разрыв пласта (ГРП), перфорационные работы, опрессовка и др.), сопровождающиеся динамическими нагрузками, при которых цементное кольцо испытывает действие растягивающих напряжений, превышающих предел его прочности, что приводит к образованию трещин в цементном камне или его полному разрушению. Так, в работе [5] приводятся результаты испытаний по установлению влияния радиальных нагрузок на целостность цементного кольца и прочность контакта в кольцевом пространстве скважины при перфорации. В процессе моделирования перфорации авторами создавались нагрузки от 35 МПа и выше. В результате было установлено,что подобные нагрузки способствуют нарушению контакта цементный камень - обсадная колонна и
появлению вертикальных трещин в камне, при этом наблюдалось увеличение проницаемости цементного кольца в 2-2,5 раза от начальной. Поэтому крепь скважин необходимо проектировать таким образом,чтобы цементный камень в ней мог успешно сопротивляться растягивающим напряжениям, возникающим в направлениях, перпендикулярных действию сжимающей нагрузки. Одним из возможных решений проблемы предупреждения нарушения целостности цементного камня и сохранения его герметичности является ввод в твердеющий цементный раствор различных армирующих добавок. Правильность выбранного направления подтверждается тем, что цементный камень, в обычных условиях способный выдерживать всего лишь два-десять циклов релаксации напряжений, с армирующими добавками при тех же условиях способен обеспечивать уже сотни циклов релаксации напряжений без потери герметичности крепи скважины [3, 4]. В настоящее время при разработке высококачественных материалов в промышленности все более широко
таблица 2. Параметры испытуемых цементных растворов
таблица 1. основные характеристики асбеста и стеклонита
характеристика стекловолокно асбест
основная формула SiO2 3Мд0^Ю2^2Н20
плотность, кг/м3 2500-2600 3400
предел прочности на растяжение, МПа 3500-4600 6000
модуль упругости, ГПа 70-85 170
коэффициент Пуассона 0,25 0,18
длина нити, мм 4,5-5 3,5-4,5
диаметр нити, мкм 6-9 1,2-1,9
добавка,% свойства раствора
асбест стеклонит плотность раствора, кг/м3, содержащего в/Ц растекаемость раствора см, содержащего
асбест стеклонит асбест стеклонит
- 0,01 - 1820 0,5 - 25,5
0,10 0,10 1850 1830 0,5 20,0 24,5
0,50 0,50 1850 1840 0,5 19,0 18,0
1,00 1,00 1860 1830 0,5 18,0 11,5
- 1,00 - 1760 0,6 - 20,0
3,00 3,00 1870 1830 0,5 0 0
3,00 3,00 1640 1610 0,8 21,0 19,5
- 5,00 - 1830 0,5 - 0
- 5,00 - 1510 1,0 - 18,5
портландцемент без добавок
0 1840 0,5 20,5
используется принцип композиции, заключающийся в совместной работе компонентов материала, обычно обладающих полярными физико-механическими свойствами.
От композита требуется, чтобы достаточная механическая прочность сочеталась с деформационной устойчивостью, т.е. с его способностью надежно противостоять возникновению и развитию необратимых деформаций. Деформационная устойчивость проявляется в затухающем характере деформационных процессов, в релаксационной способности материала, с повышением которой более интенсивно снимаются напряжения, возникающие под влиянием внешних и внутренних факторов. Наиболее деформационно-устойчивыми являются те конгломераты, которые характеризуются высокими значениями упругих и упругоэластических деформаций в области определенного интервала и реального перепада температур, в которых работает материал [2, 3]. Характер деформаций и их величина зависят, как и удароустойчивость, от
вида исходных материалов, их количественных соотношений в композите и, следовательно, структуры,технологических параметров, температуры и скорости приложения нагрузки или деформирования при испытании образцов.
При постоянной структуре характер деформации обусловлен величиной напряжения, продолжительностью напряженного состояния и релаксационной способностью композита, зависящей от фазовых соотношений, содержания вяжущей и разновидности наполнителя [4].
Известно, что для достижения максимального упрочняющего эффекта более прочный компонент должен играть роль усиливающей структуры. Для этого необходимо, чтобы упрочняющие элементы, выступая в качестве арматуры, имели достаточную длину. Совершенно естественно, что в этом случае наиболее выгодной формой использования армирующей фазы является тонкое волокно. При армировании материалов волокнами свойства композиции определяются
одновременной работой составляющих ее фаз. Работа композита зависит от степени сцепления арматуры и матрицы, что, в основном, и обеспечивает совместную деформацию компонентов как единого целого.
К свойствам волокон, используемых для дисперсного армирования, предъявляется целый ряд требований [2, 3]: наличие более высокой, чем у матрицы прочности и эластичности; наличие более высокого модуля упругости, чем у матрицы; высокая коррозионная и термическая стойкость в различных средах; высокая стабильность механических свойств; технологичность при изготовлении волокон с оптимальными размерами. Волокна, применяемые для армирования, должны обладать достаточной стойкостью в продуктах твердения, при этом иметь определенное сродство и образовывать с продуктами твердения цементного камня прочные химические связи, быть дешевыми и доступными.
В результате анализа большинства существующих волокнистых наполните-
БУРЕНИЕ
рис. 1. сравнение прочности на изгиб у образцов цементного камня из портландцемента с одинаковой концентрацией добавки
лей было установлено, что для исследований наилучшими являются волокна хризолит-асбеста 7 сорта и стеклянные волокна под названием «стеклонит», как наиболее удовлетворяющие всем требованиям,предъявляемым к волокнам для армирования, несмотря на их недостатки. Основные характеристики асбеста и стеклонита приведены в таблице 1.
Лабораторные исследования по определению влияния волокнистых наполнителей на повышение удароустойчивости образцов цементного камня и, как следствие, сохранения их целостности проводились по ряду параметров: определение прочностных характеристик (ГОСТ 26798.1-96); определение эластичности; определение герметичности.
Для исследований в качестве вяжущей составляющей дисперсно-армированного цемента использовался портландцемент бездобавочный для низких и нормальных температур (ПТЦ-1-50), соответствующий ГОСТ 1581-96.
Концентрации добавок выражались в процентах от массы портландцемента и составляли: асбест (0,1%; 0,5%; 1%; 3%); стеклонит (0,01%; 0,1%; 0,5%; 1%; 3%; 5%).
Испытания образцов цементного камня проводились по достижении ими следующего возраста твердения: 2 суток, 7 суток и 28 суток.
Основные параметры исследуемых цементных растворов приведены в таблице 2.
Часть полученных результатов исследований прочностных характеристик образцов цементного камня приведена на рисунке 1.
Из рисунка 1 видно, что добавление обоих типов волокон приводит к росту прочности цементного камня на изгиб по сравнению с прочностью на изгиб образцов цементного камня без добавок. При прочих равных условиях прочность на изгиб у образцов с добавкой асбеста выше, чем прочность образцов с добавкой стеклонита. Оценка эластичности и деформационных свойств образцов цементного камня с различными концентрациями стеклонита и асбеста проводилась по схеме трехточечного нагружения образцов. Часть результатов оценки эластичности и деформационных свойств образцов цементного камня приведена в таблице 3.
Результаты исследований показали, что средний модуль Юнга у цементных образцов с добавкой асбеста равен 120-350 МПа, с добавкой стеклонита - 590-600 МПа. При этом среднее значение модуля Юнга у цементных образцов без добавок равно 900-920 МПа.
При сравнении одинаковых концентраций различных добавок было установлено, что образцы цементного камня с добавкой асбеста обладают меньшим модулем Юнга, т.е. являются более эластичными, чем образцы цементного камня со стеклонитом. Определение герметичности образцов цементного камня проводилось на
таблица 3. влияние концентрации наполнителя на предельное относительное растяжение образцов цементного камня
добавка предельное относительное растяжение образцов ч>
2 суток 7 суток 28 суток
Асбест, 0,1% 0,042 0,048 0,054
Асбест, 0,5% 0,052 0,033 0,042
Асбест, 1% 0,043 0,034 0,041
Асбест, 3% 0,037 0,046 0,048
Стеклонит, 0,01% 0,011 0,009 0,010
Стеклонит, 0,1% 0,011 0,010 0,012
Стеклонит, 0,5% 0,014 0,011 0,012
Стеклонит, 1% 0,024 0,013 0,013
Стеклонит, 3% 0,038 0,017 0,017
Стеклонит, 5% 0,041 0,025 0,017
Без добавок 0,009 0,009 0,009
экспериментальной установке, реализующей условия испытаний на газопрорыв.
Испытания проводились по схеме «проверка герметичности цементного камня путем воздействия газа высокого давления (оценка газопрорыва) - ударное воздействие на образцы - повторная оценка газопрорыва» до достижения заданной величины давления или до потери герметичности по телу образца. Признаком негерметичности образца являлось падение давления на манометре вблизи и рост давления на манометре за испытуемым образцом. Общая схема экспериментальной установки приведена на рисунке 2. Часть результатов оценки герметизирующей способности образцов цементного камня приведены на рисунках 3-4. Результаты испытаний показали, что, если до приложения динамической нагрузки все образцы оставались герметичными при давлении 10,0 МПа, то после приложения динамического воздействия были обнаружены отдельные нарушения. Причем наиболее сильное нарушение сплошности цементного камня и образование трещин наблюдалось у бездобавочных образцов.У образцов с наполнителями наблюдалось значительно меньшее разрушение цементного камня, в среднем, в одном из трех образцов каждой из добавок, что не позволило свести результаты к максимуму из возможного. Причем максимальное замедление роста трещин присущи образцам цементного камня с концентрацией стеклонита 0,5% и концентрацией асбеста 0,5% и 1%. Таким образом, по результатам проведенных испытаний установлено, что для повышения герметичности и повышения долговечности крепи скважины рекомендуется применять волокнистые наполнители, в частности, стеклонит в концентрации 0,5% и асбест в концентрации 0,5-1%.
Рис. 2. Схема испытаний цементных моделей на газопрорыв: а) I и III этапы исследований; б) II этап исследований: 1- баллон с азотом; 2- модель крепи; 3- манометр №1, фиксирующий начальное подаваемое давление; 4- манометр №2, фиксирующий давление на выходе; 5- снаряд, создающий динамическую нагрузку
Рис. 3. Изменение герметичности цементного камня после приложения динамической нагрузки. Добавка - стеклонит
Рис. 4. Влияние концентрации асбеста на замедление роста трещин в образцах цементного камня
Литература:
1. Антипов В.И. Деформация обсадных колонн под действием неравномерного давления. - М.: Недра. 1992. - 233 с.
2. Буслаев В.Ф. Применение композиционных материалов для крепления и эксплуатации скважин. - Ухта: УГТУ, 2005. - 136 с.
3. Кербер М.Л. Композиционные материалы. Соросовский образовательный журнал, 1999. № 5. - С. 33-41.
4. Крук Р., Кулаковски Д., Гриффит Дж. Подбор композиции облегченного цементного раствора применительно к условиям в скважине и планам ее эксплуатации. Нефтегазовые технологии, 2004. № 3. - С. 24-28.
5. Крылов Д.А., Волошко Г.Н. Влияние различных нагрузок в колонне на ее контакт с цементным кольцом. Нефт. хоз-во, 1991. № 12. - С. 8-11.
Ключевые слова: цементный камень, композиты, композитный материал, герметичность, целостность, асбест, стеклонит
