Анализ оценки качества цементирования обсадных колонн проводится в соответствии с СТО 239-2021 [1]. Особое внимание уделяется показателю качества сцепления цементного камня с обсадной колонной по результатам акустической цементометрии (АКЦ) при цементировании кондуктора.
За 2020 год из 1 692 оцененных скважин у 2 % от всех сданных скважин была снижена оценка из-за низкого качества контакта цементного камня с кондуктором в интервале раствора нормальной плотности, т.е. низа обсадной колонны.
В настоящее время в ПАО «Сургутнефтегаз» для приготовления тампонажнаго раствора нормальной плотности применяется бездобавочный тампонажный материал – портландцемент тампонажный (ПЦТ) нормальной плотности для низких и нормальных температур.
Исходя из анализа качества контакта, установлено, что внедрение ПЦТ взамен тампонажнаго материала с применением добавок этого же производителя позволило улучшить качество контакта с обсадной колонной. Данный материал обладает более высокой прочностью цементного камня и более короткими сроками схватывания. При этом на диаграмме видно, что в 2020 году сплошность контакта максимальная и составляет 50,4 %. Однако данный показатель сплошности контакта значительно отличается от показателя, достигнутого при цементировании эксплуатационных колонн, который в 2020 году в интервале проектного пласта составил 90,5 % (рис. 1).
С целью дальнейшего повышения качества цементирования кондукторов в лаборатории Тампонажнаго управления были испытаны тампонажные материалы различных производителей и разные по составу. Однако испытанные материалы не обладают физико-механическими и реологическими свойствами, превосходящими свойства применяемого в настоящее время тампонажнаго материала ПЦТ.
Результаты испытаний тампонажных материалов, предназначенных для цементирования кондукторов и направлений на месторождениях ПАО «Сургутнефтегаз» в Западной Сибири, приведены в табл. 1.
Был также испытан расширяющийся тампонажный материал (далее – РТМ), который применяется для цементирования технических и эксплуатационных колонн в интервале нормальной плотности (табл. 2). Основным доминирующим свойством данного материала является способность расширяться в период начала и конца схватывания. Его рецептура разработана специально для применения в условиях умеренных температур и не подходит для применения при низких и нормальных температурах, вследствие чего его применение при цементировании кондукторов невозможно, т.к. в данных условиях материал не способен расширяться и обладает высокими сроками схватывания.
Для повышения качества цементирования кондукторов была рассмотрена возможность применения других расширяющихся тампонажных материалов. На сегодняшний день известно два способа, позволяющих придать цементному камню свойство расширения. Первый способ предусматривает введение расширяющих добавок в тампонажный материал (СаО или MgO), которые при химической реакции между собой или с другими веществами цементного раствора образуют кристаллические продукты. При втором способе вводят вещества, образующие при химической реакции между собой или с веществами цементного раствора газообразные продукты. Увеличение количества газа в ходе реакции вызывает расширение пузырьков газа и возникновение собственных напряжений [2].
Было установлено, что наиболее эффективным и распространенным способом придания тампонажным материалам свойства расширяться является оксидное расширение. Исследования показывают, что на практике данный способ расширения применяется только при умеренных и повышенных температурах, т.к. только в таких температурных диапазонах происходит химическая реакция, необходимая для появления эффекта расширения цементной смеси.
Поскольку интервал цементирования кондукторов в Западной Сибири относится к низким и нормальным температурам, материалы с оксидным расширением неэффективны, вследствие чего наиболее перспективным будет использование материалов с газовым расширением.
На основе анализа предложенных рецептур тампонажных материалов с газовым расширением, сделан вывод о том, что наиболее подходящей под скважинные условия цементирования интервала кондукторов нормальной плотности на месторождениях ПАО «Сургутнефтегаз» в Западной Сибири является цементная расширяющаяся смесь (ЦРС).
С целью подтверждения физико-механических и реологических свойств, предоставленных заводом-изготовителем, были запрошены пробы опытного образца ЦРС для проведения исследований.
В лаборатории Тампонажнаго управления проведены испытания ПЦТ и ЦРС при одинаковых условиях.
Условия проведения испытаний:
• плотность полученного тампонажнаго раствора – 1,84 г/см3;
• определение времени загустевания тампонажнаго раствора до достижения консистенции 30 Вс при температуре 22 °С;
• определение прочностных характеристик цементного камня при атмосферном давлении и температуре 22 °С через 48 ч твердения;
• проведение дополнительных испытаний по определению прочностных характеристик неразрушающим способом с использованием ультразвукового анализатора качества при температуре 22 °С и давлении 8 МПа;
• определение сроков схватывания тампонажного раствора при температуре 22 °С после достижения тампонажным раствором консистенции 70 Вс;
• определение расширения тампонажнаго раствора двумя способами: с использованием мерного цилиндра, без кондиционирования и после предварительного кондиционирования при температуре 22 °С в течение 90 мин. (рис. 2), а также с использованием форм для определения расширения при условии формирования цементного камня при температуре 22 °С и атмосферном давлении в течение 24 ч (заполнение форм осуществлялось непосредственно после затворения тампонажнаго раствора из ЦРС и после предварительного кондиционирования в течение 90 мин.).
Из представленных результатов видно, что тампонажный раствор, приготовленный из ЦРС, имеет свойство расширения, обусловленное газообразованием. Расширение цементного раствора происходит с первых минут после начала затворения. Объемное расширение тампонажнаго раствора в мерном цилиндре после предварительного кондиционирования в течение 90 мин. составило 38 %. Линейное расширение тампонажнаго раствора при выдержке в формах для определения расширения в течение 24 ч составило 7,1 % после предварительного кондиционирования в течение 90 мин. и 7,5% – без предварительного кондиционирования.
Определение прочностных характеристик тампонажнаго материала из ЦРС относительно ПЦТ при атмосферном давлении некорректно, т.к. при газовом расширении в структуре цементного камня образуются пузырьки газа, которые его разуплотняют (рис. 3).
Для определения реальных прочностных характеристик принято решение испытать опытные образцы на ультразвуковом анализаторе качества при давлении, которое соответствует фактическому при цементировании кондукторов [3].
Данные по определению прочности цементного камня на ультразвуковом анализаторе качества приведены в табл. 3.
По результатам испытания данным способом цементный камень из ЦРС обладает лучшими прочностными характеристиками, чем ПЦТ (рис. 4).
ВЫВОДЫ
Физико-механические и реологические свойства тампонажного раствора и цементного камня из ЦРС соответствуют фактическим условиям применения при цементировании кондукторов на месторождениях ПАО «Сургутнефтегаз».
В связи с наличием газового расширения определение прочностных характеристик цементного камня необходимо осуществлять при условии его формирования под давлением, соответствующим фактическим условиям применения. По результатам испытания данным способом цементный камень из ЦРС обладает большими прочностными характеристиками, чем ПЦТ.
Тампонажный материал из ЦРС обладает эффектом расширения при низких и нормальных температурах, что позволит повысить качество контакта с обсадной колонной.
Поскольку процесс расширения тампонажного материала происходит сразу после затворения цемента, опытно-промысловые работы необходимо производить по двум технологиям: с предварительным приготовлением тампонажного раствора из ЦРС и с его приготовлением непосредственно перед закачкой в скважину.
С целью повышения качества крепления кондукторов необходимо проведение опытно-промысловых работ на месторождениях ПАО «Сургутнефтегаз» с тампонажным материалом ЦРС.
