image

Территория Нефтегаз № 10 2014

Строительство

01.10.2014 10:00 Исследование прочностных характеристик цементного камня и удельного веса тампонажного раствора на основе вермикулита для крепления нефтяных и газовых скважин
Статья посвящена использованию вермикулита вспученного как альтернативной добавки для снижения удельного веса тампонажного раствора. В рамках данной статьи исследованы закономерности изменения удельного веса тампонажного материала при использовании вермикулита вспученного при различных концентрациях, а также выполнен ряд экспериментов по изучению прочностных характеристик цементного камня с использованием вермикулита вспученного.

Ключевые слова: вермикулит вспученный, цементный камень, тампонажный материал, удельный вес, прочность.
Открыть PDF


Актуальность работы обусловлена активным бурением новых скважин в сложных геологических условиях. В процессе строительства подобных скважин зачастую возникают проблемы (недоподъем цемента за колонной, поглощение цементного раствора в высокопроницаемых горизонтах из-за высокой плотности тампонажного раствора, слабое сцепление цементного камня и т.д.), связанные с использованием неправильно подобранных рецептур тампонажных астворов, которые в полной мере не удовлетворяют современным и геологическим требованиям. Одним из способов решения проблемы недоподъема цементного раствора в заколонном пространстве является использование облегченного тампонажного раствора. Для приготовления облегчающих тампонажных материалов авторами предложено использовать в качестве облегчающей добавки вермикулит вспученный, так как данная добавка приводит к значительному снижению удельного веса тампонажного раствора. Вермикулит – минерал со слоистой структурой из группы гидрослюдистых, продукт вторичного изменения (гидролиза и последующего выветривания) темных слюд биотита флогопита.

Вермикулит представляет собой крупные пластинчатые кристаллы золоти-сто-желтого или бурого цвета. После термообработки увеличивается в раз-мере в 10–15 раз (рис. 1) [1, 3, 4]. При нагревании из пластинок образуются червеобразные столбики или нити золотистого или серебристого цвета с поперечным делением на тончайшие чешуйки (вспученный вермикулит). Технические характеристики вермикулита представлены в таблице 1.

Вермикулит в зависимости от размера зеренделят на следующие типы:

• крупный – с размером зерен от 5 до 10 мм;

• средний – с размером зерен от 0,6 до 5 мм;

• мелкий – с размером зерен до 0,6 мм

Вермикуоит классифицируется по маркам:

• вермикулит 100 – плотность 100 кг/м3;

• вермикулит 150 – плотность 150 кг/м3;

• вермикулит 200 – плотность 200 кг/м3.

В рамках данной статьи использовался вермикулит фракцией от 0,1 до 0,9 мм [3]. Замеры плотности образцов тампонажного раствора выполнялись с помощью пикнометра, представленного на рисунке 2 [2–5].

Подготовка и проведение испытания заключались в реализации следующих этапов:

• приготовление экспериментального образца цементного теста с добавлением вермикулита определенной концентрации;

• определение массы чистого сухого пикнометра;

• заполнение цементным тестом пикнометра, при этом цементное тесто должно заполнить канал в крышке пикнометра;

• определение массы пикнометра, заполненного цементным тестом.

Плотность цементного теста pu г/см3, вычислялась по формуле 1:

где m 1– масса пустого пикнометра, г;

m2– масса пикнометра с цементным тестом, г;

V – вместимость пикнометра, см3.

Результаты вычисления округлялись до 0,01 г/см3. Влияние вермикулита на плотность тампонажного раствора при различных концентрациях отражено в таблице 2 и на рисунке 3.

Результаты экспериментов указывают, что увеличение концентрации вермикулита вспученного в тампонажном материале положительно влияет на снижение удельного веса с 1,50 до 1,26 г/см3 в зависимости от концентрации и насыпной плотности вермикулита вспученного.

Увеличение концентрации вермикулита более 15–20% приводит к нарушению однородности приготовленного цементного теста, слабой растекаемости и коагуляции раствора. Дисперсность

фракции и насыпная плотность вермикулита положительно влияют на снижение удельного веса.

Использование смешанной фракции вермикулита имеет более выраженную тенденцию снижения удельного веса, но наличие фракций более 0,15–0,3 способствует нарушению однородности тампонажного раствора, потере стабильности показателя плотности, всплытию крупных частиц вермикулита [5, 6].

Следующим этапом исследований являлось определение прочностных характеристик цементного камня по ГОСТ 26798.1-96. Для этого были изготовлены балочки из цементного камня с различной концентрацией вермикулита. Перед разрушением балочки были выдержаны в камере водного хранения в течение 48 часов при температуре 75 °С. Разрушение балочек осуществлялось с помощью установки Матеsт (модель Е160). Внешний вид установки и схема расположения балочек показаны на рисунке 4.

Результаты изменения прочностных характеристик представлены в таблице 3.

Для каждого отдельно взятого состава цемента и вермикулита изготавливалось и разрушалось по три образца [1–2]. Прочность при изгибе ПЦТ-I-100 – 8,7 мПа (без добавления вермикулита).

Результаты экспериментов указывают, что увеличение концентрации вермикулита снижает прочностные характеристики цементного камня. С уменьшением размера фракции вермикулита вспученного увеличиваются прочностные характеристики цементного камня.

Основные выводы:

1. Использование вермикулита вспученного приводит к снижению удельного веса тампонажного раствора. Дисперсность и насыпная плотность добавляемого вермикулита также вносят свой вклад в изменение удельного веса тампонажного раствора.

2. Добавление вермикулита вспученного смешанной фракции имеет выраженную тенденцию снижения удельного веса, при этом значительного отклонения удельного веса не происходит, однако наблюдается всплытие частиц вермикулита вспученного крупой фракции, что приводит к нестабильности удельного веса тампонажного материала при увеличении концентрации вермикулита вспученного в тампонажном растворе.

3. Результаты разрушения цементных балочек показали, что увеличение концентрации вермикулита вспученного в достаточной мере снижает прочностные характеристики полученных образцов.

4. Эксперименты показали, что при уменьшении фракции вермикулита вспученного прочностные характеристики цементного камня увеличиваются. Таким образом, можно сделать предварительный вывод, что целесообразнее применение вермикулита вспученного с меньшей фракцией при оптимально подобранной концентрации облегчающей добавки.



← Назад к списку


im - научные статьи.