Цемент как материал для изоляции

Цемент как  материал для изоляции заколонного пространства скважин должен быть заменен, возможно пенополиуретаном

 

Г.Н. Лышко – канд. техн. наук, директор

(ООО «БурениеСервис»)

 

При строительстве скважин в качестве изолирующего материала применяют минеральные вяжущие — портланд и другие виды цементов. Цементный раствор-камень помимо главного назначения — герметизации заколонного пространства скважины должен выполнять следующее: удерживать колонну обсадных труб от проседания за счёт собственного веса, температурных деформаций, деформаций из-за гидравлических давлений, ударных нагрузок, вращений и др., а также защищать обсадную колонну от действия коррозионных сред. “Обязанности” цементного камня исключительно важные, особенно первая из названных. От того, как она выполняется, зависят эффективность и срок эксплуатации скважины, а главное-охрана недр и окружающей среды.

На результат создания крепи скважины влияет множество факторов, управляемых и нет, известных и неизвестных. Среди особо значимых факторов – свойства тампонажного раствора-камня.

Рассмотрим, как справляется цементный раствор-камень со своими “обязанностями”.

 

“Обязанности” цементного камня по разобщению пластов горных пород исключительно важные. От качества крепи скважины зависят эффективность и срок эксплуатации скважины, а главное-охрана недр и окружающей среды.

 

Плохая вытесняющая способность цементного раствора. При цементировании обсадной колонны мы стремимся к тому, чтобы обеспечить максимально возможную степень замещения бурового раствора и его фильтрационной корки цементным раствором. На это направлен целый ряд технологических приемов: заданный гидравлический режим движения цементного раствора, специальная технологическая оснастка обсадной колонны, расхаживание и вращение колонны  и др. Улучшать свойства самого цемента для придания его раствору повышенных вытесняющих свойств (назовем их так) сверх того, что мы имеем сейчас, не представляется рациональным. Реологические, а значит вытесняющие свойства цементного раствора, удается регулировать изменением водоцементного отношения и/или вводом в раствор добавок и/или реагентов. Такое регулирование производится легко и в широких пределах.

Тем не менее, за счёт изменения реологических свойств цементного раствора, режима цементирования обсадной колонны полностью вытеснить буровой раствор и его фильтрационную корку из скважины не удается никогда. Цементный раствор по своей природе и свойствам является плохим “вытеснителем”. Остатки бурового раствора между стенкой скважины и обсадной колонной становятся потенциальными зонами каналообразования в крепи скважины.

Опасное снижение гидростатического давления. Известно, что в оставленном в покое цементном растворе, как во всякой структурирующейся суспензии, в результате образования структуры из частиц твёрдой фазы снижается гидростатическое давление до давления столба жидкости затворения и ниже. Это явление имеет место в заколонном пространстве после его цементирования и приводит к тому, что давление в скважине оказывается  меньше пластового. Возникший градиент давления, направленный из пласта в скважину, становится движущей силой возможного флюидопроявления. При наличии каналов в заколонном пространстве, если направленный из пласта в скважину градиент давления становится больше, чем начальный градиент фильтрации или гидравлические сопротивления недостаточны, развивается поток флюида по заколонному пространству.

Проницаемость цементного раствора-камня. Цементный раствор, а затем камень должны быть непроницаемыми для воды, нефти и газа — пластовых флюидов, проникших или готовых мигрировать в скважину. Цементный раствор в покое быстро создает коагуляционную, а затем кристаллизационную объёмную пористую структуру из частиц клинкера и новых минеральных образований. Со временем поры возникшей объёмной структуры все более “зарастают”, некоторые совсем закрываются. Гидравлические сопротивления движению жидкости сквозь структуру, «поры» цементного раствора быстро возрастают. Но проницаемость цементного раствора со временем  снижается только в том случае, если в структуре не образуются дефекты-каналы. Образование флюидопроводящих каналов в цементном растворе возможно в результате седиментации твердой фазы (оседания отдельных частиц и проседания всей объёмной решетки целиком) и суффозионных разрушений структуры восходящими потоками жидкости и газа. Каналы могут сохраниться и в камне.

Способность тампонажного раствора – камня препятствовать началу движения в нём флюида количественно характеризуется показателем – начальным градиентом фильтрации. Начальный градиент фильтрации — это тот минимальный градиент давления, при котором в тампонажном растворе – камне начинается движение, фильтрация поровой жидкости. Значение указанного параметра быстро возрастает при возникновении и росте в тампонажном растворе сплошной, не нарушенной коагуляционно-кристаллизационной структуры. Текущее значение начального градиента фильтрации в каждый момент должно быть больше существующего в данный момент градиента давления в скважине. Тогда фильтрация через тампонажный раствор-камень невозможна и можно говорить о достаточной изолирующей способности раствора-камня.

Цементы, произведенные при соблюдении ГОСТ1581-96, спецификации АНИ 10А, а также с учётом рекомендаций специалистов по цементированию скважин, позволяют приготавливать тампонажные растворы с требуемой изолирующей способностью-непроницаемостью для пластовых флюидов. Для этого в состав тампонажных смесей и/или растворов вводят добавки и/или реагенты: стуктурообразователи, загустители, кольматанты, газогенераторы, газоблокаторы, которые оптимизируют сроки и кинетику структурообразования в тампонажных растворах. Дело непростое и требует большого внимания и высокой квалификации исполнителей.

Но проектировщики и буровые подрядчики далеко не всегда оказывают требуемое внимание рецептуре, качеству тампонажного раствора, точности его приготовления на месте. “Чистый” цементный раствор, в составе которого нет модифицирующих добавок, при приготовлении которого не соблюдено заданное водоцементное отношение, имеющий неоправданно большое время загустевания – пока нередкое явление. Результат -заколонные перетоки.

Вредная контракция в цементном камне. При гидратации, растворении  клинкерных минералов и возникновении новых минералов в цементном растворе-камне сумма объёмов новообразований становится меньше суммы объёмов вступивших в реакцию веществ. Поэтому внутри цементного камня при сохранении внешнего объёма при  определенных условиях происходит уменьшение первоначального давления. Уменьшение внутреннего объёма и, как результат, давления называется контракцией. Возникающий в результате эффекта контракции градиент давления может привести к тому, что камень будет «засасывать» в себя из окружающей среды газы и жидкости.

Академик РАЕН А.И.Булатов экспериментально и путем вскрытия опытных скважин показал, что в заколонном пространстве при недостаточной по скорости подпитке водой извне, из водоносных пластов, цементный камень может обезводить невытесненные цементным раствором остатки бурового раствора, его фильтрационную корку, пленку. Остатки бурового раствора, отдав воду, потеряют целостность. Образуются трещины-каналы, по которым возможны флюидоперетоки. Таким образом, цементный камень, точнее контракция в нем, выступает причиной потери зацементированным заколонным пространством герметичности.

Контракция, как результат структурообразования, является неотъемлемым свойством портландцемента.  Можно только изменить скорость течения контракции, регулируя физико-химическими методами скорость структурообразования в растворе-камне, например, замедлив схватывание цементного раствора. Не более. Вряд ли это даст положительный результат, но удлинит опасный с точки зрения флюидообразования период нахождения раствора в жидком состоянии.   

Усадка камня. Цементный камень должен быть безусадочным, так как усадка камня может привести к появлению флюидопроводящих зазоров. Усадка камня, как причина каналообразования,   упоминалась в специальной литературе не раз, но опыты показывают, что в большинстве случаев в водонасыщенной среде, каковой и является скважина, камень из портландцемента усадку не дает. Более того, в настоящее время применяют расширяющиеся тампонажные смеси. Они, как будто, снимают проблему, связанную с  усадкой. Хотя вопрос об эффективности расширяющихся тампонажных цементов остается открытым. На практике невозможно учесть и скорректировать все факторы, влияющие на кинетику расширения тампонажного раствора-камня, чтобы обеспечить ожидаемый эффект от его применения. 

Контактные зоны камня — слабые места крепи. В свое время было высказано предположение, что причиной нарушения герметичности системы «колонна-глинистая пленка — цементный камень-глинистая корка (пленка)- порода» может быть гидрогазовый прорыв через данную систему в результате гидро-механического разрушения. Вероятность такого события якобы существует при близком расположении пластов с разным давлением или при проведении гидроразрыва продуктивного пласта (ГРП). Ни расчеты, ни опыты, ни практика ГРП не подтверждают, что прорыв в рассматриваемой системе вероятен сквозь тело камня. Но его контактные зоны являются значительно более слабыми зонами.

Для обеспечения герметичности зон контакта “металл-камень”, “камень-порода” цементный камень должен иметь, как считается, сцепление – адгезию с ограничивающими его поверхностями колонны и стенок скважины или хотя бы непроницаемый при возможных градиентах давления контакт, лучше напряженный. Но поверхности колонны и стенок скважины всегда остаются покрытыми окалиной, остатками углеводородов, ПАВ из бурового раствора, пленкой — коркой самого бурового раствора и поэтому прямого контакта камня с металлом и породой в большинстве случаев нет, а значит не может быть и адгезии. По этой причине как-либо совершенствовать сам цемент с целью “повышения его адгезии” безполезно. Стремиться следует к получению непроницаемой зон контакта. Возможно, расширяющиеся цементы помогут в этом. Были попытки вводить в состав цементного  раствора смолы, которые при фильтрации сквозь глинистую корку отверждают ее, сращивают с камнем  и тем самым повышают сопротивляемость зоны контакта «камень-корка» разрушению. Но такой способ не получил распространения.

Осмос и диффузия. Выдвигались предположения о возможности перетоков в цементном кольце в результате осмоса или диффузии. Опасность таких процессов с точки зрения предупреждения миграции пластовых флюидов в зацементированном заколонном пространстве скважины не доказана, но и не исключена.

Колонна не защищена. Как цементный камень защищает колонну от деформирующих давлений? Из-за малой, но существующей проницаемости для пластовых флюидов камень, имеющий толщину в радиальном направлении в несколько сантиметров, не препятствует воздействию флюида непосредственно на колонну и передаче на нее пластового давления.  Тем более цементное кольцо не может изолировать колонну, если оно не сплошное, что очень вероятно  в реальной скважине. Исследования показали, что даже в стендовых условиях, когда вокруг трубы создано сплошное цементное кольцо, составная крепь “стальная труба-камень” имеет жёсткость не намного большую, чем сама труба.

По той же причине камень не выполняет и функцию защиты колонны от агрессивного воздействия пластовых флюидов. Можно говорить о выполнении такой защитной роли, только имея в виду, что она осуществляется тогда, когда камень выполняет основную свою функцию — изоляцию пластов, недопущение миграции пластовых флюидов по зацементированному заколонному пространству скважины.

Избыточная прочность камня. Нормативные значения показателей прочности цементного камня, заложенные в ГОСТ 1581-96 и в спецификации AНИ 10А, не обоснованы с точки зрения выполнения камнем своих функций. Но наличие нормативов по прочности в стандартах вызывает необоснованные и часто завышенные требования строителей скважин к прочности камня из цемента или тампонажной смеси, предназначенных для первичного цементирования обсадной колонны. Ненужный в первую очередь  для герметизации заколонного пространства запас прочности камня является причиной огромных излишних экономических затрат.

Хрупкость камня. По своим физико-механическим, деформационным свойствам цементный камень относится к телам хрупким, а значит по понятным причинам — малопригодным для герметизации как таковой.

Коррозия. Немало научно-исследовательских работ посвящено изучению и предупреждению различных видов химической коррозии цементного камня в скважине. При проведении опытов наблюдают, что камень в результате коррозии претерпевает различные деструктивные изменения. Прямых доказательств химического разрушения камня в заколонном пространстве скважины нет. Существующие коррозионностойкие портланд и шлаковые цементы, создающие низкопроницаемый, а значит нефильтрующий сквозь себя агрессивные флюиды камень, казалось бы исключают  коррозионное разрушение камня в зацементированном заколонном пространстве скважины. Но и это не доказано и маловероятно.

Термо — и возрастная деструкция цементного камня.  Происходящие беспрерывно в камне физико-химические процессы, скорость и направление которых зависят от температуры, ведут к «старению» камня — потере им прочности, “перерождению”, разрушению. Возможно, эти процессы становятся причиной потери крепью своих изолирующих свойств. В настоящее время известны и широко применяются способы повышения термостойкости и долговечности тампонажного камня путем ввода силикатных добавок в цементы портланд или использования доменных шлаков в качестве вяжущих. Тем не менее, уверенности в  долговечности камня из указанных вяжущих добавок в скважинах нет.

Выводы

Таким образом, обзор свойств цемента и их влияния на выполнение задач, решаемых при цементировании обсадных колонн, показывает, что цемент имеет свойства, качества, дающие только надежду, но не уверенность в том, что даже при строжайшем выполнении известных технико-технологических приемов возможно гарантированно создать крепь скважины, выполняющую свою основную функцию — герметично разделять пласты друг от друга и от дневной поверхности, долгое время противостоять различным разрушающим факторам.

К недостаткам цемента, применяемого для цементирования обсадных колонн, относятся:

— оставляющие желать лучшего реологические – вытесняющие свойства цементного раствора;

— неспособность последнего сохранять в покое гидростатическое давление;

— контракция в цементном камне;

— необходимость тщательно, с учетом конкретных геолого-технических условий составлять и соблюдать сложную рецептуру тампонажного раствора для придания ему  требуемой изолирующей способности;

— хрупкость камня, неспособность к достаточным обратимым упругим деформациям;

— подверженность коррозии и быстрому старению.

Есть и другие минусы у цемента с точки зрения нужд строительства скважины, например, придание ей, как инженерному сооружению,  высокой материалоемкости. 

Поэтому, при креплении скважины с использованием цемента достижение нужного качества крепи скважины, в первую очередь её герметичности, всегда носит вероятностный характер. Нельзя со сто процентной уверенностью ожидать, что столь нежелательных перетоков за обсадной колонной не будет. И это, в первую очередь, потому, что цементный раствор — камень как минеральное вяжущее не является совершенным изолирующим материалом.

Чем же заменить несовершенный цемент?

Мысленно поместим за колонной на всю её длину резиновый эластичный «пакер», распираемый изнутри газом. Давление в «пакере» создадим большее, чем в самом высоконапорном пласте. «Пакер» сделаем способным расширяться во все стороны, многократно увеличивая свой объём. Таким, чтобы он при своем расширении выдавил остатки бурового раствора в пласты, фильтрационную корку спрессовал, уплотнил. Остатки бурового раствора останутся защемленными между интервалами заколонного пространства, полностью заполненными и перекрытыми  этим «всюдупроникающим пакером». Конечно, ни о какой контракции и, как результат, обезвоживании остатков бурового раствора теперь речи не идет. «Пакер» легко изменяет свои формы и объём следом за меняющей свой диаметр при изменении внутриколонного давления обсадной колонной. И на все другие механические воздействия «пакер» реагирует обратимыми деформациями. Кольцевые зазоры, трещины не образуются. Резина химически инертна — химическая агрессия не страшна. Резину используем «нестареющую».

Для создания такого идеального «пакера» применим полиуретановый жидкий состав. Закачаем его в заколонное пространство под переменным, возрастающим во времени давлением, заданным с учетом значений пластовых давлений. Состав, вступая в реакцию с влагой в скважине (или по другой причине), образуя пену, будучи сравнительно легким, «плавая» на поверхности раздела с буровым раствором, расширяясь и проникая в самые “глухие” уголки заколонного пространства, максимально вытеснит буровой раствор. Остатки раствора, его корку сдавит. В заколонном пространстве останется химически стойкое высокопористое упруго — эластичное нефильтрующееся, не разрывающее горные породы и непроницаемое тело, силой внутрипорового давления, превышающего пластовые, вдавленное в кольцевой зазор и «навсегда» исключающее всякое самопроизвольное перемещение флюидов.

Пока это только идея, возникшая при наблюдении, как полно, качественно удается тампонировать даже узкие щели вздувающейся липнущей к поверхностям монтажной полиуретановой пеной, теперь широко применяемой в строительстве.  Идея, надежды на которую укрепляются, когда имеешь дело с  мягкими,  упругими,  долговечными изделичми из  пенополиуретана.

 

Представляется, что в первую очередь «пенополиуретановая  технология» изоляции заколонного пространства скважины проще осуществима и скорее требуется для изоляции колонн-кондукторов в зоне многолетнемерзлых пород.