По технологическим условиям цементирования скважин сразу после продавливания тампонажного раствора давление составного столба в заколонном пространстве всегда выше давления пластового флюида. Однако в период ОЗЦ в результате снижения давления в поровом пространстве тампонажного раствора в условиях АВПД возникает градиент давления, действующий по направлению из пласта в скважину. Давление в затрубье снижается благодаря сочетанию процессов структурирования (развития статического напряжения сдвига), водоотдачи, поглощения воды гидратацией и объемной усадки цемента. Возникающий градиент давления и является движущей силой флюидопроявлений.
Для обеспечения герметичности заколонного пространства в зоне контакта «цементный камень – обсадная труба» и «цементный камень – порода» должно развиваться определенное давление со стороны камня. Поэтому герметичность скважин в большей степени зависит от объемных изменений цементного камня при его твердении. Этого можно достичь применением тампонажных смесей, способных расширяться в процессе структурообразования (расширяющиеся тампонажные цементы (РТЦ)). При этом величина расширения должна быть больше, чем уменьшение объема системы за счет контракции, и в то же время не должна превышать предельного усилия на смятие или нарушение целостности обсадных колонн.
При разработке и совершенствовании составов расширяющихся тампонажных материалов необходимо учитывать следующее. Если обеспечить расширение смеси в период, когда ее структура еще достаточно пластична, чтобы силы, вызывающие расширение, не привели к образованию трещин, то расширение обусловит уплотнение смеси, уменьшение ее проницаемости и создание напряженного контакта между твердеющей смесью и препятствующими ее расширению колонной и стенками скважины. Напряженный контакт, исключающий зазоры и щели между камнем из расширяющегося цемента и колонной или стенками скважины, должен предотвратить газопроявления и перетоки вод. Если расширение наступает уже в сформировавшейся кристаллизационной структуре (после конца схватывания), то наблюдаются необратимые разрушения цементного камня, при этом величина расширения незначительна, а давление на стенки колонны и скважины велико. В связи с этим необходимо управлять процессом расширения, кинетика которого должна быть таковой, чтобы основная часть расширения происходила после окончания продавки тампонажного раствора в затрубное пространство.
Таким образом, исследование объемных изменений цементных растворов и камня должно позволять определять, в какой период, в какой фазе формирования цементного камня и в каких объемах происходит расширение.
Система измерения объемного расширения цемента (VCED), производства компании OFI Testing Equipment, Inc., является дополнительным модулем к существующим ультразвуковым анализаторам цемента (UCA) OFITE. Эта система позволяет непрерывно измерять расширение или усадку образца цемента в условиях высоких температур и давлений. При этом система VCED подсоединяется непосредственно к штатной испытательной ячейке ультразвукового анализатора цемента и позволяет измерять расширение/усадку образца цемента одновременно с определением предела прочности при сжатии ультразвуковым методом.
Рис. 1. Система измерения объемного расширения цемента (VCED) OFITE
Технические характеристики системы VCED OFITE приведены ниже:
- максимальное давление: 15000 PSI (103,4 МПа);
- максимальная температура: 400°F (204,4°C);
- объем образца: 190 мл;
- диапазон измерений изменения объема образца цемента: ±15% (±30 мл);
- система сбора данных (DAS) отображает результаты испытания на мониторе в реальном времени;
- образец цемента на протяжении всего испытания находится в контакте со средой создания давления – водой.
- создает и точно поддерживает давление в испытательной ячейке;
- непосредственно отслеживает изменение объема образца в ячейке, которое специализированное программное обеспечение пересчитывает в % изменения объема.
- двунаправленная система;
- управление с персонального компьютера;
- точность измерения: до 0,01 мл;
- рабочий объем: 60 мл;
- максимальное давление: 15000 PSI (103,4 МПа);
- точность поддержания давления: ±25 PSI (0,17МПа).
В процессе испытания в главном рабочем окне программы системы сбора данных VCED OFITE в графическом виде в зависимости от времени отображаются следующие параметры: температура (°F/°C), время прохождения ультразвукового сигнала (μsec/in), значение предела прочности при сжатии (PSI / kPa), акустическое полное сопротивление (MRayl), объем (mL) и изменение объема (%). В поле над графиком отображаются текущие значения каждого из измеряемых параметров, а также время, прошедшее с начала испытания.
В программном обеспечении предусмотрена специальная функция, которая позволяет исключить увеличение объема образца цементного раствора, происходящее при его нагреве за счет теплового расширения, из конечных результатов испытания.
Рис. 2. Результаты испытания цементного раствора, приготовленного из цемента класса Н, без добавок
После закачки цементного раствора и его размещения в затрубном пространстве начинается структурирование раствора. В процессе структурирования цементного раствора и развития статического напряжения сдвига (СНС) происходит снижение гидростатического давления столба цемента и, как следствие, возникает опасность проникновения пластовых флюидов в зацементированное кольцевое затрубное пространство. Таким образом, задача определения СНС в течение переходного периода при схватывании цемента, т. е. при переходе цементного раствора из жидкого состояния, определяющего пластовое давление, в непроницаемое твердое состояние, когда столб цемента теряет способность передавать давление на пласт, представляется весьма актуальной.
Система измерения СНС (SGSM), производства компании OFI Testing Equipment, Inc., также является дополнительным модулем ко всем имеющимся ультразвуковым анализаторам цемента (UCA) OFITE. Эта система предназначена для измерения развития СНС образца цемента во времени в условиях высоких температур и давлений.
Рис. 3. Система измерения СНС (SGSM) OFITE
Принцип действия системы SGSM основан на прямом измерении величин развивающегося СНС. Система подсоединяется непосредственно к штатной испытательной ячейке ультразвукового анализатора цемента. Ротор автоматически кондиционирует цементный раствор внутри ячейки. На протяжении всего испытания ротор периодически вращается, измеряется сопротивление, а специализированное программное обеспечение системы сбора данных рассчитывает значения СНС.
При подключении системы измерения СНС (SGSM) к ультразвуковому анализатору цемента с двумя ячейками OFITE (кат. №120-52) либо к сдвоенному ультразвуковому анализатору цемента OFITE (кат. №120-51) вторая ячейка может быть использована для одновременного проведения стандартного испытания по определению предела прочности при сжатии ультразвуковым методом на цементном растворе того же замеса. При этом специализированное программное обеспечение системы сбора данных рассчитывает и отображает результаты обоих испытаний, т. е. зависимость СНС и предела прочности при сжатии от времени, на одном графике.
Измерительный комплекс, состоящий из ультразвукового анализатора цемента с двумя ячейками OFITE (кат. №120-52) либо сдвоенного ультразвукового анализатора цемента OFITE (кат. №120-51), а также системы измерения СНС (SGSM) OFITE (кат. №120-53) и системы измерения объемного расширения цемента (VCED) OFITE (кат. №120-54) позволяет получать более полную информацию о характеристиках старения цементного раствора – камня в условиях высоких температур и давлений. Этот комплекс дает возможность одновременно определять:
- предел прочности при сжатии и динамику набора прочности тампонажным цементом ультразвуковым методом,
- расширение либо усадку образца цемента и отслеживать этот процесс во времени,
- развитие СНС образца цемента во времени.
