Цементный камень за обсадной колонной является одновременно, как одним из наиболее важных звеньев, оказывающим влияние на длительность эксплуатации скважины, так и наиболее уязвимым.
Как правило, тампонажные портландцементы характеризуются низкой деформационной устойчивостью, в результате чего цементный камень не способен противостоять динамическим нагрузкам [1, 2]. Такие операции, как вторичное вскрытие пласта, освоение скважины и гидроразрыв пласта (ГРП), оказывают сильные динамические нагрузки, что ведет к разрушению цементного камня. Самые большие нагрузки цементное кольцо испытывает при ГРП. Гидроразрыв пласта производят при давлении до 30 МПа, помимо этого нагрузка на пласт имеет не только динамический характер, но и статический, поскольку воздействие на пласт происходит длительное время: 1,5 – 2 часа [3]. В результате после воздействия перфорации и ГРП цементное кольцо может быть полностью разрушено, и это, в свою очередь, может привести к перетокам, преждевременному обводнению продуктивных горизонтов. Таким образом, цементный камень за обсадной колонной является одновременно как одним из наиболее важных звеньев, оказывающим влияние на длительность эксплуатации скважины, так и наиболее уязвимым.
С каждым годом происходит увеличение фонда скважин, на которых производится гидроразрыв пласта. Уже сегодня данный метод обеспечивает более 40% дополнительной добычи нефти по всей России. В связи с этим становится актуальным вопрос разработки специализированных тампонажных систем, предназначенных для скважин, подвергающихся значительным динамическим нагрузкам, которые смогут обеспечить целостность цементной колонны.
Уже проведено множество работ, посвященных повышению стойкости цементного камня к динамическим нагрузкам. Подходы к решению данной проблемы различны, однако большинство авторов сходятся во мнении, что портландцемент при всех его достоинствах обладает существенными недостатками – по мере увеличения прочности цементного камня растет и его хрупкость, а также портландцемент обладает низкой прочностью на растяжение [4 – 8]. Для борьбы с этими недостатками предлагается несколько решений. Так, например, в работах российских авторов [9 –10] рассматривается применение фиброармирования как способа повышения стойкости цементного камня к динамическим нагрузкам. По результатам проведенных исследований [10] наблюдалось повышение удельной ударной вязкости разрушения на 30 – 75%, а также увеличение прочности на растяжение на 20 – 100%, в зависимости от содержания фиброволокна. 
Особый интерес к повышению стойкости цементного камня к динамическим нагрузкам проявляют зарубежные фирмы. Они, например, нашли несколько методов борьбы с ударными и циклическими нагрузками, используя в составе тампонажной смеси эластомеров, которые обеспечивают демпфирующий эффект, тем самым позволяя «гасить» ударные нагрузки, а также пеноцемент, где та же роль отведена пузырькам газа.
Сегодня в ГОСТ 1581 - 96 не существует методов оценки стойкости тампонажного материала к ударным нагрузкам. В связи с этим возникают проблемы в оценке качества тампонажного камня. ООО НПП «БУРИНТЕХ» предлагает использовать прибор для определения прочности покрытий при ударе (ИСО 6272-2002, ГОСТ Р 53007-2008). Прибор (рис. 1) применяется в заводских лабораториях при входном контроле покрытия, в процессе производства, а также в полевых условиях при проведении эксплуатационных работ – для испытаний металлов, пластмасс, паркета, деревянных панелей, керамики, бетона, наливных полов и т.д.
Под устойчивостью материала к ударным нагрузкам понимается его способность эффективно сопротивляться разрушающему действию динамических нагрузок, в том числе воздействию внезапно приложенных сил, при которых скорости деформации материала достигают значительных величин [11]. Данный прибор позволяет определить ударную нагрузку, при которой начинается разрушение цементного камня. Суть лабораторных испытаний состоит в том, чтобы определить энергию удара, при которой начинается трещинообразование в цементном камне, и влияние добавки в тампонажный раствор на ударную прочность. Для проведения испытаний были изготовлены специальные формы колец (рис. 2), в которые заливался исследуемый тампонажный раствор. После этого полученные диски тампонажного камня помещались под молот и проверялась их стойкость к ударным нагрузкам. В качестве критерия оценивалась энергия, необходимая для образования трещин в дисках.
По данной методике были проведены испытания по оценки эффективности различных добавок с целью повышения ударной прочности тампонажного камня (табл. 1).
По результатам проведенных экспериментов видно, что ударная стойкость тампонажного камня никак не зависит от прочности на изгиб и сжатие. Так, например, тампонажный раствор, в состав которого входит расширяющаяся добавка на основе оксида кальция, по ГОСТ 1581 - 96 имеет самые низкие показатели прочности, но при этом обладает достаточно высокой стойкостью к ударным нагрузкам (на 29% выше по сравнению с ПЦТ-1-G). Устойчивость цементного камня к динамическим нагрузкам будет напрямую зависеть от способности цементной матрицы к деформации. По этой причине воздухововлекающие, демпфирующие и армирующие добавки будут иметь большую эффективность с точки зрения повышения ударной стойкости цементного камня, чем суперпластификаторы и электролиты, повышающие прочность на изгиб и сжатие.
Уже проведено множество работ, посвященных повышению стойкости цементного камня к динамическим нагрузкам. Подходы к решению данной проблемы различны, однако большинство авторов сходятся во мнении, что портландцемент при всех его достоинствах обладает существенными недостатками – по мере увеличения прочности цементного камня растет и его хрупкость, а также портландцемент обладает низкой прочностью на растяжение.
Армирование тампонажного раствора при помощи фибрволокон, помимо повышения стойкости к ударным нагрузкам, может снижать усадочное растрескивание цементного камня при твердении [10], а также при значительных деформациях растяжения сдерживает раскрытие трещин [12]. Таким образом, с точки зрения комплексного воздействия на тампонажный раствор использование фиброармирования более предпочтительно, чем воздухововлекающие и демпфирующие добавки. В табл. 2 приведены результаты испытаний эффективности применения полипропиленового и базальтового фиброволокна с целью повышения ударной прочности тампонажного камня.
Использование фиброволокна в составе тампонажного раствора повышает стойкость тампонажного камня к ударным нагрузкам, а также увеличивает прочность на изгиб/сжатие. Применение базальтового волокна позволило повысить ударную прочность на 76,5%, полипропиленового на 35,3%. При этом базальтовое волокно, имея ту же природу, что и цемент, образует с ним однородную матрицу, в результате чего не способно сдерживать раскрытие трещин, так как его разрушение происходит одновременно с цементным камнем. На рис. 3 – 5 приведены диски из цементного камня после приложения ударной нагрузки.
Сравнивая полученные в ходе исследований результаты, можно сказать, что использование различных добавок к тампонажному раствору будет оказывать влияние на устойчивость цементного камня к динамическим нагрузкам. Использование как критерий качества тампонажного цемента методику, предложенную ООО НПП «БУРИНТЕХ», позволит улучшить качество крепления скважин и позволит более целостно сохранить цементную колонну после вторичного вскрытия и гидроразрыва пласта.
В ООО НПП «БУРИНТЕХ» разработан тампонажный раствор BIT-Cem-Arm, отличающийся повышенной стойкостью цементного камня к ударным нагрузкам. Используя этот метод, подобрали оптимальный состав из различных фибрволокон и дополнительных добавок, оказывающих положительное влияние на прочность. Сравнение стойкости различных составов тампонажного камня к ударным нагрузкам показано на рис. 6, 7.
Выводы
1. Несмотря на достаточно высокую прочность, портландцемент обладает низкой ударной стойкостью и не может эффективно противостоять динамическим нагрузкам, возникающим при ГРП и перфорации.
2. Использование фиброармирования позволяет повысить ударную прочность от 20 до 135%. Наиболее эффективно комбинировать фибрволокна различной природы.
3. Оценивая качество тампонажного цемента только по ГОСТ 1581 – 96, невозможно сделать выводы о долговечности цементного камня в ходе эксплуатации скважины. Целесообразно использовать различные методики, позволяющие оценивать стойкость цементного камня к динамическим нагрузкам.
