Зазоры между цементным камнем, колонной и породой

При цементировании пространство между колонной и стенками скважины в заданном интервале глубин заполняется тампонажным раствором, из которого после твердения обра­зуется прочный монолит. Однако в результате анализа лабо­раторного и промыслового материала установлено, что меха­ническая прочность цементного камня не является определя­ющим фактором, из обеспечивающих герметичность зако-лонного пространства. Качество разобщения пластов в зако-лонном пространстве определяется в основном состоянием контакта цементного камня с обсадной колонной и горной породой, которое является доминирующим фактором (при этом подразумевается полное замещение за колонной глини­стого раствора тампонажным).

Напряженность контактов цементного камня со стенками скважины и обсадной колонной зависит от прижимающих усилий, возникающих во время его твердения, и снижается при усадке тампонажного камня, а также при деформациях породы, глинистой корки, обсадных труб, если этим процес­сам не препятствуют силы связи между сопредельными сре­дами. Прочность непосредственных связей цементного камня с породой и обсадными трубами определяется физико-химическим взаимодействием ионов и молекул их поверхно­стных слоев. Однако без соответствующей напряженности таких контактов в их зоне не могут протекать физико-химические реакции, обусловливающие прочность связи це­ментного камня с колонной и породой.

Исследования показали, что напряженность контакта це­ментного камня с поверхностью обсадных труб в 4 — 8 раз меньше его прочности. Прочность связи цементного камня из различных тампонажных материалов с обсадными труба­ми оценивается по значению сопротивления контакта це-

56

мент —труба разрыву, сдвигу, гидроразрыву. При температу­рах 20 — 30 °С прочность связи с обсадной колонной камня из различных тампонажных материалов возрастает с течени­ем времени, причем наиболее интенсивно — в течение пер­вых 7 сут. Прочность связи камня из портландцемента с об­садными трубами в 4 — 5 раз выше, чем прочность связи с колонной камня из гельцемента. Прочность связи камня из облегченных цементов с обсадными трубами характеризуется значениями, близкими к значениям прочности такой связи для гельцемента. Давление гидропрорыва на контакте обсад­ная труба — портландцементный камень через 2 и 6 сут составляет 3,5 и 16 МПа, для гельцементного камня — 2,0 и 5,6 МПа. Однако такие цифры характеризуют лишь не­посредственный контакт обсадной трубы с цементным кам­нем.

Анализ результатов исследований влияния активных доба­вок к тампонажному раствору на прочность непосредствен­ной связи цементного камня с обсадной трубой позволил выявить следующие тенденции ее изменения. Введение в там-понажный раствор 0,5 % гипана, КМЦ, гексаметофосфата натрия (ГМФ Na) приводит к увеличению прочности связи цемента с металлом. Добавки сульфанола и ОП-10, наоборот, уменьшают прочность такой связи. Наибольшая прочность связи металл—цементный камень достигается при обработке тампонажного раствора хлористым натрием.

Однако рассмотренные случаи непосредственного контак­та цементного камня с обсадными трубами и стенками сква­жин весьма редки в промысловых условиях. Далее высокая скорость восходящего потока не обеспечивает удаления всей глинистой корки со стенок скважины и пленки с обсадных труб. Глинистые корки налипания и фильтрации, а также гли­нистый раствор остаются: на стенках скважины (особенно в их кавернозной части), на стенках колонны, в застойных зонах, под замками и муфтами колонны, в виде языков и включений — в самом тампонажном растворе. Твердеющая цементная масса засасывает воду из контактирующих с ней глинистых включений и корок, в которых образуется сеть трещин — потенциальных каналов для перетоков пластовых флюидов. Обезвоживание корок и включений глинистого раствора происходит во всех случаях их контакта с тампо-нажным раствором, так как контрактационный эффект — непременное свойство вяжущих. Причем трещины (каналы) в глинистой коре образуются значительно раньше полного ее обезвоживания. Поэтому обезвоженная глинистая корка мо­да

жет являться основной причиной образования в заколонном пространстве каналов для нефтеводогазопроявлений.

Скорость каналообразования увеличивается в случаях кон­такта глинистого раствора с чистым портландцементом. Введе­ние в цемент наполнителей (глины, песка) снижает скорость образования каналов, отодвигая момент их появления и умень­шая размеры. Одним из мероприятий по предупреждению ка­налообразования может быть отверждение глинистых корок.

Ряд исследователей, изучая прочность связи цементного камня с породой при наличии фильтрационной глинистой корки, пришли к выводу, что обработка тампонажного рас­твора У1ЦР и КМЦ при цементировании интервала залегания песчаных пород приводит к снижению прочности такой свя­зи, а добавление в тампонажный раствор извести и хлорис­того кальция увеличивают ее.

Одним из факторов, влияющих на прочность связи (со­стояние контакта) цементного камня с обсадной трубой, явля­ется изменение внутреннего давления в колоннах. В процессе цементирования скважины колонну иногда оставляют под внутренним давлением на время ОЗЦ. После снятия давления между набравшим прочность цементным кольцом и колон­ной может образоваться зазор размером до 1 мм, который может служить потенциальным каналом движения жидкостей и газа. Поэтому оставление обсадных колонн под давлением в период ОЗЦ не рекомендуется, так как повышает вероят­ность образования заколонных перетоков и газопроявлений.

По аналогии, опрессовка колонны после ОЗЦ также не может являться надежным методом контроля ее герметично­сти, так как при повышении давления в колонне происходит уменьшение раскрытости зазоров между нею и цементным камнем. Поэтому проницаемость их на контактных поверх­ностях цементного камня и колонны резко уменьшается по сравнению с проницаемостью таких зазоров при отсутствии избыточного давления в колонне.