3.8.3. Влияние физико-химических процессов, происходящих в цементном растворе при его твердении

Работами отечественных и зарубежных ученых было показано, что основными процессами, обуславливающими негерметичность затрубного пространства, являются диффузия, осмотические процессы и электроосмос, седиментационная неустойчивость тампонажных растворов, контракция, зависание цементного раствора.

Седиментационная устойчивость тампонажных растворов

Экспериментальными исследованиями установлено, что недостаточная седиментационная устойчивость тампонажных растворов приводит к развитию целого ряда отрицательных явлений:

– увеличению проницаемости цементного камня вдоль направления движения восходящей при седиментации жидкости затворения;

– нарушение сплошности тампонажного камня в затрубном пространстве в результате появления каналов различной протяженности, промытых восходящим потоком воды и др.

Основными профилактическими мерами против седиментационной неустойчивости тампонажных растворов, используемых при креплении скважин, является снижение количества свободной воды в растворе, увеличение вязкости жидкой фазы цементной суспензии и сокращение индукционного периода тампонажного раствора с тем, чтобы уменьшить отрицательное последствия седиментации.

Контракция

Контракцией называется сокращение физического (абсолютного) объема системы цемент-вода за счет уменьшения суммарного объема смешиваемых веществ. При этом на поверхности цементного раствора (камня) образуется «вакуум» за счет увеличения суммарной пористости затвердевшего камня, способствующей «всасыванию» воды из окружающей среды. Тем более необходимо учесть, что объем цементного раствора (камня) изменяется по всей массе в сторону уменьшения при отсутствии практически ощутимого изменения внешних параметров.

Бережным А.И. 5[3] показано, что в результате «стяжения» (контракции) объема удельный вес тампонажного материала увеличивается и на каждый кубометр цементного раствора, закачанного в затрубное пространство скважины, к началу его затвердевания образуется 80-110 дм³ пустот, т.е. пор, заполненных газом, в случае контактирования цементного раствора с газо-насыщенными породами или заполненных водой при контактировании с водонасыщенными породами. Так как толщина цементного кольца в затрубном пространстве скважины незначительна, то формирование вертикально-проводящих каналов в цементном тесте, под влиянием главных факторов «стяжения» цементных растворов, с образованием вакуума в объеме раствора и давления высокопроницаемых флюидов в направлении к устью скважины, будет неизбежным при столь значительном сокращении цементных растворов в своем объеме.

Особенно опасным для цементного камня является конракция в межколонном пространстве, где отсутствует доступ воды, что приводит к образованию трещин цементного камня.

Таким образом, для уменьшения влияния эффекта контракции на качество цементирования скважин, по мнению ряда авторов необходимо:

– предотвратить уход свободной воды затворения в пласт, с тем, чтобы цементный раствор твердел при избытке воды;

– регулировать индукционный период цементного раствора;

– вводить в тампонажный раствор специальные наполнители и обеспечит перемешивание раствора перед закачкой его в затрубное пространство через осреднительную емкость. Ибо известно, что в процессе перемешивания разрушается образующаяся структура, концентрация частиц, продуктов гидратации зерен цемента протекает интенсивнее и глубже.

«Зависание» цементного раствора.

Возникновение газо-нефте-водопроявлений, как говорилось выше, часто объясняют снижением давления на пласт при загустевании и твердении тампонажного раствора.

Исследователи полагают, что цементный раствор «зависает», и давление на пласты падает в результате образования структуры и давление на забой определяется только гидростатическим столбом воды, находящейся в порах твердеющего тампонажного раствора Основной принцип борьбы по его предложению – совпадение схватывания с прекращением продавки его в скважину. Этот метод обеспечивает цементирование без отделения воды и образования каналов в массе цементного раствора.

Для предупреждения этого явления многие исследователи предлагают следующие методы:

– повышение седиментационной устойчивости;

– сокращение периода между концом цементирования и превращением цементного раствора в плотный цементный камень;

– предупреждение образования цементных пробок против проницаемых пластов.

Таким образом, мы видим, что предотвратить некачественное разобщение пластов, вызванное процессами, происходящими в цементном растворе в период ОЗЦ частично возможно путем направленного регулирования свойств раствора. Эффективным средством при этом может явиться вибровоздействие, как предлагает [547], налагаемое на тампонажный раствор, твердеющий в заколонном пространстве в начальный период ОЗЦ.