Ускорители схватывания и твердения

Ускорители схватывания и твердения

Для сокращения времени ожидания затвердевания цемента в тампонажные растворы вводят ускорители процессов схва­тывания и твердения.

Повышение содержания в тампонажном растворе каусти­ческой соды, поташа, кальцинированной соды, хлоридов натрия, калия и кальция до 3 % приводит к снижению прочности це­ментного камня после длительного твердения. При содержа­нии хлорида натрия больше 5%, а углекислого натрия меньше 1 % замедляются скорости схватывания и твердения. Введение более 2 % хлоридов вызывает коррозию труб. Для ее уменьше­ния при повышенных концентрациях хлоридов рекомендуется одновременно вводить нитриты, нитраты и хроматы натрия, калия и кальция. Сульфаты натрия и калия вызывают корро­зию при введении их более 6 %. С целью предотвращения коррозии труб рекомендуется при цементировании скважин в усло­виях положительных температур использовать ингибирующие или органические электролиты.

Необходимо учитывать, что при введении кальцинированной соды в тампонажные растворы с большими дозами хлоридов, а также при тампонировании скважин с выделением сильно минерализованных вод может резко снизиться подвижность растворов.

При значительном ускорении процессов твердения вследствие применения ускорителей, как правило, существенно уменьша­ются прочность и морозостойкость цементного камня.

Необходимость введения последних определяется эксперимен­тально. При назначении ускорителей необходимо учитывать, что некоторые из них при повышении или понижении темпера­туры становятся замедлителями (например, мочевина). Та­кое же влияние может оказывать и концентрация реагента.

Замедлители схватывания и твердения

При выборе замедлителей необходимо учитывать, что большинство из них не только являются замедлителями твердения, а также влияют на реологические и фильтрационные свойства тампонажных растворов.

Хромпик применяется, как правило, совместно с такими за­медлителями схватывания и понизителями водоотдачи, как СДБ, гипан, КМЦ, окзил, метас, СВК. Замедлители на основе гидролизованных соединений акриловой кислоты (гипан, К-4) при введении в портландцементные тампонажные растворы необходимо стабилизировать с целью предотвращения коагуляции замедлителями растворения кальциевых солей, например кальцинированной содой. Для шлаковых цементов стабилизаторы не требуются.

При назначении замедлителей следует учитывать их совме­стимость с солевой средой тампонажного раствора, а также возможность потери или инверсии свойств при повышении или понижении температуры (например, фосфаты, мочевина).

Регуляторы реологических свойств тампонажных растворов

Для регулирования реологических характеристик тампонажных растворов (увеличения или уменьшения вязкости и предельного напряжения сдвига) вводят реагенты-регуляторы реологиче­ских свойств.

При назначении регуляторов реологических свойств надо учитывать, что многие из них влияют на процессы гидратационного твердения в сторону их ускорения или замедления.

Такие реагенты, как СДБ, КССБ, ГИФ-1, ПФЛХ, ВЛХК, СПД, ПАЩ-1, ВРП-1, Д-4, Д-12, ЦНИПС-1, мылонафт, вызы­вают сильное пенообразование при приготовлении раствора, поэтому их рекомендуется применять с пеногасителями.

Для повышения пластифицирующего действия реагента, как правило, увеличивают его дозировку.

В качестве регуляторов реологических свойств используются как химические реагенты, так и наполнители: глины, песок, трепел и др. Наиболее часто вместе с химическими реагентами применяется бентонитовая глина. Оптимальное соотношение вяжущего, наполнителя и химиче­ского реагента подбирается экспериментально.

 

Пеногасители

Пеногасители – это в большинстве случаев растворы реагентов в дизельном топливе. При определении необходимости применения того или иного пеногасителя следует учитывать его возможную реакцию с тампонажным раствором и влияние на свойства последнего: например, окисленный петролатум в присутствии со­лей кальция коагулирует, и поэтому для стабилизации в тампонажные растворы вводят кальцинированную соду.

Оптимальное количество реагентов устанавливается экспериментально.

 

10. 5. Параметры, характеризующие свойства тампонажных смесей.

Свойства тампонажных растворов зависят от состава исходных компонентов, их соотношений, режима перемешивания и температуры.

Для правильного выбора состава тампонажных смесей применяется ряд параметров для оценки их свойств.

Состав цементных растворов характеризуется водоцементным отношением, которое влияет на их свойства. Водоцементное отношение (В/Ц) показывает отношение массового количества воды к массовому количеству цемента и для нормальных цементных растворов находится в пределах 0, 4-0, 6.

Растекаемость тампонажного раствора определяется с помощью конуса АзНИИ (рис. 10. 1). Прибор состоит из формы-конуса 1 и измерительного столика 2 с установочными винтами 3. Форма-конус имеет внутренние диаметры верхнего основания 37 мм, нижнего – 70 мм, высоту – 60 мм.

Рис. 10. 1. Конус А₃НИИ для определения растекаемости цементных растворов.

Измерительный столик – это плита, снабженная шкалой, которая представляет собой концентрические окружности с минимальным диаметром 70 мм и максимальным не менее 250 мм. Цена деления шкалы 5 мм. Столик должен быть покрыт диском из стекла.

Растекаемость определяют следующим образом. Измерительный столик устанавливают в горизонтальное положение с помощью установочных винтов 3 и шарика-уровня в центре столика. Форма-конус устанавливается на стекле в центре измерительного столика таким образом, чтобы внутренняя окружность формы совпадала с начальной окружностью шкалы столика. Внутреннюю поверхность конуса и стекло перед испытанием протирают влажной тканью. Смесь готовят в мешалке, время перемешивания – 3 мин. Цементным раствором заполняют форму-конус до верхнего торца. Интервал времени от момента окончания перемешивания до момента заполнения конуса не должно быть более 5 с. Затем конус плавно поднимают в вертикальном положении. Диаметр расплыва цементного теста измеряется во взаимно перпендикулярных направлениях. Среднее значение из результатов двух измерений принимается за растекаемость. Растекаемость нормальных растворов должна быть не менее 180 мм и не более 200 мм.

Плотность определяется с помощью лабораторных весов общего назначения и пикнометра объемом 100 0, 5 см³ (рис. 10. 2).

Рис. 10. 2. Пикнометр: 1 – пробка; 2 – стакан.

Вначале определяют массу чистого сухого пикнометра с погрешностью до 1 г. По окончании перемешивания цементного теста заполняют им пикнометр и закрывают его крышкой, при этом цементное тесто должно заполнить канал в крышке пикнометра. Избыток теста, выступивший из отверстия в крышке, удаляют влажной тканью. Определяют массу пикнометра, заполненного цементным тестом, с погрешностью до 1 г. Плотность цементного теста ρ _{ц. р.} вычисляют с округлением до 0, 01 г/см³ по формуле:

ρ _{ц. р.} =(m₂-m₁)/V, г/см³                                  (10. 1)

где m₂ и m₁ – масса пустого пикнометра и заполненного цементным тестом, г; V – объем пикнометра, см³.

Водоотделение характеризует седиментационную устойчивость цементного раствора и определяется с помощью цилиндра объемом 250 см³. Цементный раствор заливают в мерный цилиндр до отметки 250 см³ и оставляют в покое на 3 ч при температуре 20 3^оС. Через 3 ч определяют объем отделившейся воды, находящейся в верхней части цилиндра.

Коэффициент водоотделения рассчитывают по формуле:

К_в= , %                                                          (10. 2)

где V₁ и V₂ – первоначальный объем и объем осевшего в нижнюю часть цилиндра цементного раствора, см³.

Считается, что раствор обладает достаточной седиментационной устойчивостью, если К_в 2, 5%.

Сроки схватывания определяются с помощью прибора Вика (рис. 10. 3), состоящего из круглого металлического стержня 4, свободно перемещающегося в вертикальной обойме 5 станины 1. Для закрепления стержня на необходимой высоте служит зажим 2. В нижнюю часть стержня 4 ввинчивается стальная игла 6 диаметром 1, 1 мм и длиной 50 мм. На кронштейне станины укреплена шкала 3. В комплект прибора входит кольцо 7 с подставкой 8.

Рис. 10. 3. Прибор Вика.

Перед началом испытаний проверяют свободное перемещение стержня 4, а также нулевое показание. Проверяют чистоту поверхности и отсутствие искривления иглы. Кольцо прибора Вика и подставку к нему предварительно смазывают машинным маслом любой марки и устанавливают кольцо на подставку. Цементное тесто заливают в кольцо прибора до края и выравнивают поверхность теста. Иглу прибора 6 доводят до края и выравнивают поверхность теста. Иглу прибора доводят до соприкосновения с поверхностью цементного теста.

В этом положении стержень закрепляют стопором, потом освобождают его, давая игле погружаться в тесто. Первое измерение глубины погружения иглы проводят не позднее, чем через 1 ч 30 мин после затворения, последующие – через 1 ч 45 мин; 2 ч 15 мин, а в дальнейшем не реже, чем через каждый час. Началом схватывания цементного раствора считают время, прошедшее от начала затворения до момента, когда игла не доходит до подставки на 1-2 мм, концом схватывания – время от начала затворения до момента, когда игла погружается в тесто на глубину от 1 до 3 мм.

Затвердевший цементный камень должен удовлетворять ряду требований:

- обладать достаточной механической прочностью;

- быть непроницаемым для промывочных жидкостей, пластовых вод и газа;

- быть стойким к коррозионному действию пластовых вод;

- обладать температурной стойкостью;

- сохранять объем при твердении и упрочнении.

Механическая прочность цементного камня проверяется на изгиб и сжатие.

Испытание проводят на образцах-балочках с размерами 20× 20× 100 мм, изготовленных с помощью форм.

Цементное тесто для изготовления образцов приготовляют вручную. Для этого 1600 г цемента и 800 г воды перемешивают в течение 3 мин. Тесто заливают в формы и хранят в ванне с водой в течение 48 ч при температуре 22±2^оС, после чего их испытывают на приборе МИК-100.

Предел прочности при изгибе рассчитываются для каждого образца-балочки по формуле:

_в=0, 015 Р,    МПа                                                              (10. 3)

где: Р – предельная разрушающая нагрузка, Н.

Полученные четыре половинки балочек после испытания на изгиб, испытывают на сжатие с помощью пресса. Для равномерной передачи нагрузки, на балочки применяют металлические пластины с размерами 20× 25 мм. Предел прочности на сжатие определяют по формуле:

_сж=0, 002 Р, МПа                                                                (10. 4)

Предел прочности на сжатие цементного камня находится как среднее значение из трех испытаний образцов.

Пластическая прочность характеризует прочность структуры тампонажной смеси при вязко-пластичном ее разрушении. Для определения этого параметра применяется прибор ВИКа, у которого вместо иглы используются конические наконечники, изготовленные из стали, алюминия, органического стекла, или текстолита с углом при вершине конуса 30, 45, 60 и 90^о. В процессе проведения исследований используются конуса, изготовленные из различных материалов с различными углами при вершине конуса так, чтобы глубина погружения конуса (h) в поверхность тампонажной смеси составляла:

,                                                                      (10. 5)

где: Н – высота конуса, мм.

После заполнения кольца тампонажной смесью ее поверхность тщательно выравнивается. Подвижную систему прибора с конусом приводят в соприкосновение с поверхностью тампонажной смеси и отпускается с помощью фиксатора, проверяя глубину погружения конуса по условию (10. 5).

После выбора конуса проводится исследование изменения во времени значений величины погружения конуса в поверхность тампонажной смеси, для чего периодически через 2 мин отпускается фиксатор прибора и определяется глубина погружения конуса в каждом новом месте поверхности тампонажной смеси.

Величина пластической прочности определяется по формуле:

, Па                                                                   (10. 6)

где: G – вес подвижной системы, Н;

   h – глубина погружения конуса, м;

    - коэффициент, учитывающий конструктивные параметры конуса,

,                                                                  (10. 7)

где:  - угол при вершине конуса, град.

Так как в тампонажной смеси происходит структурообразование, то глубина погружения конуса должна уменьшаться. Измерение проводится до получения трех одинаковых значений глубины погружения, что свидетельствует об образовании вязко-пластической структуры тампонажной смеси, способной сопротивляться внедрению подвижной системы прибора. Величина пластической прочности, найденной по формуле (10. 6) и соответствующая ее одинаковому значению в течение трех измерений, называется предельной пластичностью (Р_{m пр.} ). При достижении этого значения, структура тампонажной смеси набирает прочность и все работы, связанные с перемешиванием или закачиванием ее в скважину необходимо прекратить. Время от начала затворения тампонажной смеси до получения значения предельной пластической прочности называется временем стабилизации структуры тампонажной смеси (Т_стаб. ). Оно должно учитываться при проектировании технологии тампонирования скважины: время тампонирования должно находиться из условия:

Т_тамп. Т_стаб. ,                                                                          (10. 8)

Для конкретного промывочного насоса и размера бурильных труб, по которым закачивается тампонажная смесь в скважину можно определить следующие параметры:

- усилие, развиваемое насосом при прокачивании тампонажной смеси по бурильным трубам:

, Н                                                                  (10. 9)

- усилие, которое необходимо создать для преодоления сцепления тампонажной смеси с внутренней поверхностью бурильных труб:

F_б=θ ·π ·d·L, Н                                                                       (10. 10)

- Р_max – максимальное давление насоса, Па;

d – внутренний диаметр бурильных труб, м;

θ – статическое напряжение сдвига тампонажной смеси, Па;

L – длина бурильных труб, м.

Приравняв (10. 9) и (10. 10), получим величину критического значения статического напряжения сдвига:

Θ _кр= , Па                                                                    (10. 11)

Величина Θ _кр не должна превышать Р_{m. пр.} для того, чтобы обеспечить закачивание

тампонажной смеси в скважину до наступления ее структурирования. Поэтому для конкретных условий тампонирования, оцениваемых параметрами Р_мах, d, L можно определить предельное значение пластической прочности, применяемой тампонажной смеси из условия:

, Па                                                                (10. 12)

При этом, время на проведение тампонажных работ должно находиться из условия (10. 8) и не должно превышать время стабилизации выбранной тампонажной смеси.

 

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: