Durability of cement stones in injection wells

Толық мәтін

Введение

При проведении динамических (ударных) воздействий внутри обсадных колонн более всего подвержен разрушению цементный камень. Наиболее сильное негативное воздействие на него создается при перфорации, углублении скважины, гидроразрыве продуктивного пласта [1–4]. Кроме этого, цементный камень уязвим к воздействию большинства компонентов пластовых флюидов [5–8].

При этом следует помнить, что цементный камень за счет высокой щелочности поровой жидкости (рН ≥ 12,5) обеспечивает коррозионную стойкость обсадной колонны, образуя на ее поверхности пленку, препятствующую проникновению агрессивных ионов к металлу [7, 9, 10]. Доказательством могут явиться результаты исследования Загирова М.М., показавшего на примере месторождений Татарстана, что только наличие надежного цементного кольца продлевает срок службы скважины [10–12].

Одним из наиболее агрессивных агентов по отношению к цементному камню является пресная вода, которая вызывает коррозию выщелачивания [6, 8].

По многим месторождениям количество выявленных нарушений в нагнетательных скважинах более чем на порядок превышает аналогичные показатели по эксплуатационным колоннам, и на долю нагнетательных скважин приходится основное количество выполненных капитальных ремонтов, связанных с восстановлением герметичности крепи.

Анализ промыслового материала

Результаты исследования состояния цементного камня в заколонном пространстве скважин, проведенные Зариповым А.К. на Арланском и Туймазинском месторождениях [13–15], подтверждают вышеизложенное предположение. Например, на Александровской площади Туймазинского месторождения при помощи бокового сверлящего керноотборника были отобраны образцы колонны и цементного камня в различных по назначению эксплуатационных скважинах. На нагнетательной скв. № 714 первоначально были определены зоны хорошего сцепления цементного камня с колонной по показаниям акустического контроля цементирования и практически по всему интервалу подъема цемента были отобраны образцы. Эти образцы были отобраны на глубине от 1664–1226 м, т.е. практически по всему интервалу подъема цемента. Из поднятых 14 образцов в шести был заколонный материал, представленный в основном пластичной массой темно-серого цвета. Описание двух отобранных проб (табл. 1) показало, что в поднятых образцах заколонный материал был представлен преимущественно пластичной массой темно-серого цвета, исследования которой показали, что за обсадной колонной цементный камень отсутствует или претерпел существенные изменения, и не может служить защитным слоем для обсадной колонны и ограничивать межпластовые перетоки (рис. 1).

Таблица 1. Характеристика кернового материала по скв. № 714

Рисунок 1. Образцы цементного камня, отобранные из затрубного пространства нагнетательных скважин

а) образец № 1, глубина 1664 м; б) образец № 2, 1607 м

На нагнетательной скв. № 3659 Ново- Хазинской площади Арланского месторождения за 5 лет работы из интервала от 500 до 1000 м за 10 рейсов керноотборником удалось поднять только образцы самой колонны, что свидетельствует об отсутствии цементного камня. Внешний осмотр поднятой для замены части обсадной колонны показал, что разрушение наружной поверхности труб происходит лишь от места нарушения герметичности колонны до поглощающего горизонта, т.е. на участке отсутствия цементного камня и движения закачиваемых сточных вод [14–15].

Также проводились работы по отбору цементного камня в добывающих скважинах. Результаты показали, что поднятый из них заколонный цементный камень, согласно данным химического и рентгеноструктурного анализов, по составу идентичен камню, получаемому из портландцемента. Анализы показали, что процесс коррозии цементного камня в зоне продуктивных пластов добывающих скважин практически отсутствует, и даже через 17–25 лет цементный камень находится в удовлетворительном состоянии.

Фазовый состав затвердевшего цементного камня представлен группой гидросиликатов кальция разной основности, гидроалюминатами и гидроферритами кальция, кристаллическим гидроксидом кальция и непрореагировавшей частью клинкера [6, 8, 16].

Теоретические аспекты

Известно, что все продукты твердения цементов являются устойчивыми соединениями только в присутствии определенного количества ионов ОН^– и Са²⁺ в поровой жидкости [6, 7, 16], т.е. в условиях щелочной среды, которая обеспечивается растворенным гидроксидом кальция.

Наиболее устойчивыми фазами, требующими минимального количеcтва растворенного гидроксида кальция, являются низкоосновные гидросиликаты кальция, а наименьшую устойчивость имеют кристаллический гидроксид кальция и высокоосновные гидросиликаты кальция. Концентрация насыщенного раствора, при которой кристаллический Са(ОН)₂ находится в равновесии с жидкой фазой, составляет 1,2–1,3 г/л, а рН раствора равен 12,5. Это означает, что при нарушении равновесия между жидкостью и продуктами твердения наименее устойчивые фазы начнут гидролизоваться и растворяться, поставляя в раствор гидроксид кальция для восстановления равновесия.

Закачиваемая в пласты жидкость, как правило, имеет рН, близкий к нейтральному или даже меньше 7, поэтому при контакте с ней цементный камень неизбежно будет разрушаться. В первую очередь будет растворяться гидроксид кальция, выделившийся при гидратации трехкальциевого силиката. Затем будет идти гидролиз гидросиликатов и гидроалюминатов кальция, имеющих меньшую равновесную концентрацию гидроксида кальция. Поскольку основным компонентом, выносимым из цементного камня, является щелочь Са(ОН)₂, то данный вид коррозии называется коррозией выщелачивания.

Именно данный вид коррозии характерен для нагнетательных скважин, через которые в нефтяные пласты закачивается пресная или минерализованная жидкость.

На начальной стадии процесса коррозии его скорость будет определяться скоростью растворения и гидролиза продуктов твердения, находящихся в поверхностном слое, и описываться уравнением

$-\frac{dC}{dt}=kS(C_{\infty } – C)$ (1)

где

$\frac{dC}{dt}$ – скорость растворения;

k – константа скорости растворения;

S − удельная поверхность;

C_∞ − растворимость Са(ОН)₂;

C − концентрация растворенного Са(ОН)₂ в растворе.

По мере обеднения пограничных слоев камня свободным Са(ОН)₂ последний диффундирует из глубины камня по порам и капиллярам. Когда исчерпается свободный гидроксид кальция и рН поровой жидкости начнет снижаться, поступление Са(ОН)₂ будет осуществляться за счет гидролиза и растворения менее устойчивых фаз цементного камня. Через некоторый промежуток времени после полного гидролиза граничных слоев цементного камня образуется полностью прокорродированный слой, представляющий собой буферную зону между неповрежденной частью цементного камня и окружающей средой.

После образования буферной зоны процесс коррозии будет включать в себя диффузный отвод веществ в окружающую среду и растворение внутренних стенок пор цементного камня, поставляющего Са(ОН)₂ в поровую жидкость. Суммарно эти процессы можно описать уравнением (2):

$\frac{dc}{dt}=ПD_{эф}\frac{d^{2}C}{d{x}^2}-KS(C_{\infty } – C)$ (2)

где

D_эф – эффективный коэффициент диффузии;

П – пористость цементного камня.

Анализ уравнения (2) показывает, что скорость коррозионного процесса определяется не только фазовым составом продуктов твердения, выраженным через параметры К и С_∞, но и структурными характеристиками камня (D_эф , П, S).

Следует учитывать, что разрушение цементного камня начинается практически сразу с вымыванием из него Са(ОН)₂. В частности, по данным исследований Кинда В.В. [6] потеря более 40% гидроксида кальция из цементного камня ведет к практически полной потере его прочности.

Рисунок 2. Снижение прочности цементного камня при выщелачивании извести (по данным Кинда В.В. [6])

Существенное влияние на скорость коррозии оказывает характер воздействия жидкости на цементный камень. При внешнем омывании скорость разрушения цементного камня будет намного меньше, чем при фильтрации, поскольку скорость выноса Са(ОН)₂ будет лимитироваться диффузией ионов Са²⁺ из глубины цементного камня, которая на несколько порядков меньше, чем скорость гидролиза продуктов твердения. Например, по Москвину В.М. [6] эффективный коэффициент диффузии щелочи Са(ОН)₂ в бетонах равен 1^.10^-4 см²/с. Если вода действует на цементный камень под напором, что как раз и характерно для нагнетательных скважин, количество растворителя (воды), поступающего внутрь цементного камня, значительно превышает количество воды, которое может проникнуть в камень при тех же условиях, только вследствие диффузии. Поэтому коррозионные процессы в сооружениях, находящихся под напором, резко интенсифицируются.

На скорость коррозии выщелачивания существенное влияние оказывает солевой состав пластовых вод. Одноименные ионы Са^2+, ОН^- способствуют снижению растворимости Са(ОН)₂, поэтому жесткие воды менее агрессивны по отношению к цементному камню, чем мягкие.

Другие ионы, такие как SО₄^2-, Cl^-, Nа⁺, повышают растворимость гидроксида кальция, интенсифицируя процессы выщелачивания.

Следует учитывать, что портландцементный камень содержит некоторое количество негидратированного клинкера, который, находясь в водной среде, продолжает взаимодействовать с водой, т.е. цементный камень продолжает твердеть. Разрушение камня будет наблюдаться, если деструктивные процессы будут преобладать над конструктивными, т.е. скорость выщелачивания будет выше, чем скорость гидратации цемента и образования новых продуктов твердения.

Технические предложения

Рассмотрение процессов выщелачивания Са(ОН)₂ из тампонажного камня под действием пресных вод показывает, что принципиально невозможно создать абсолютно стойкий тампонажный камень.

Кинетика процесса выщелачивания определяется несколькими факторами, а именно – скоростью гидролиза и растворения твердой фазы, реакционной емкостью цементного камня и его пористостью.

Если первые два фактора для большинства цементов мало отличаются друг от друга, то большая пористость цементного камня будет способствовать ускорению его коррозионного разрушения.

Каналами для перетока закачиваемой воды в другие пласты могут быть не только капиллярные поры в цементном камне, образованные из-за повышенного водоцементного отношения раствора, но и каналы, образованные в затвердевшем камне при проведении технологических операций внутри обсадной колонны [2–4, 17].

Выполненный в работах [4, 17] расчет напряжений, возникающих в цементном камне при различных операциях (перфорация, ГРП, опрессовка колонн, углубление скважины и др.), показал, что во многих случаях они превышают предел прочности цементного камня, регламентированный ГОСТ 1581-96 [18]. К таким же выводам пришли и авторы в работе [2].

Анализ, проведенный по одному из месторождений Западной Сибири, выполненный в работе [19], показал, что после перфорации в 75% скважин имелось поступление посторонней воды в зону перфорации по заколонному пространству. При этом в 62% скважин герметичность крепи скважины нарушилась ниже, а в 44% скважин выше интервала перфорации при расстоянии 5–10 м от перфорационных отверстий до водяных пластов.

В то же время на некотором удалении от зоны перфорации деформация цементного кольца может составлять 0,3–0,7 мм [4], что при соответствующей модификации цементов может сохранить целостность крепи скважины.

Применительно к креплению скважин это означает, что в нагнетательных скважинах выше и ниже интервала перфорации необходимо иметь крепь (цементный камень) с минимальной пористостью, исключающей образование фильтрационных каналов, как на этапе твердения цементного раствора, так и при работах внутри обсадной колонны.

При этом необходимо пересмотреть подходы к креплению нагнетательных скважин, чтобы еще на стадии проектирования скважин заложить более совершенные технологии цементирования, например, устанавливая заколонные пакера выше и ниже интервала перфорации и применяя тампонажные материалы, образующие лучшую структуру затвердевшего камня.

Традиционное требование ГОСТ 1581-96 [18] о высокой прочности к цементному камню в затрубном пространстве скважины, особенно в интервале перфорации и башмака промежуточных колонн и кондукторов, приводит к тому, что цементный камень в этих интервалах становится хрупким и легко разрушается при любых работах в колонне.

Возможно, не следует принимать прочность в качестве основного параметра цементного камня, а требовать от него упругости и эластичности, чтобы, приближаясь к резиноподобным структурам, он в процессе деформаций сохранял свою целостность и герметичность затрубного пространства.

При креплении нагнетательных скважин необходимо полностью исключить вероятность даже малейшего перетока закачиваемой воды через цементный камень или через его контактные зоны, поскольку каждая капля воды, протекающая через камень, будет уносить из него гидроксид кальция и увеличивать размеры поровых каналов.

Анализируя структуру цементного камня в ранние сроки твердения, например, через 3 или 7 сут, когда степень гидратации составляет около 20 и 50% соответственно, можно видеть, что доля капиллярных пор в цементном камне будет огромна и говорить о хорошей герметизации затрубного пространства в первые несколько дней после цементирования, по меньшей мере, необоснованно [8, 16].

Еще большие проблемы могут возникнуть при применении облегченных тампонажных растворов, облегчение которых всегда сопровождается увеличением водоцементного отношения (В/Ц) до 0,9–1,2 и неизбежно ведет к резкому увеличению доли капиллярных пор. Ввод любых облегчающих добавок будет уменьшать долю цемента и при этом повышать пористость камня.

В общем случае структура цементного камня будет определяться начальным водосодержанием раствора (водоцементным отношением) и степенью гидратации цемента. Поэтому воздействие на эти факторы и лежит в основе управления структурой цементного камня.

Снижение В/Ц наиболее эффективно для воздействия на структуру затвердевшего камня, однако при этом всегда снижается подвижность тампонажных растворов, сокращается время их загустевания и схватывания, а также повышается плотность раствора.

Повышение степени гидратации всегда будет улучшать структуру цементного камня, однако при этом необходимо управление временем загустевания и твердения цементного раствора с учетом продолжительности процесса цементирования.

Следует помнить, что наибольшую опасность представляют открытые поры, через которые возможна миграция пластовых флюидов. Цементный камень, представленный замкнутыми порами, даже при значительной общей пористости может обладать хорошими изоляционными характеристиками. Это означает, что при невозможности снижения пористости надо стремиться к перераспределению пор путем перевода открытых пор в закрытые и уменьшением их среднего размера. В работе [19] было показано, что эффективным технологическим приемом может явиться дезинтеграторная обработка цементов, обоснованная и широко использованная в Казахстане профессором Каримовым Н.Х.

Для тампонажных материалов наиболее предпочтительным направлением повышения сопротивляемости тампонажного камня динамическим нагрузкам является дисперсное армирование [20], при котором волокна армирующей добавки (фибры), равномерно распределяясь в матрице и имея различное направление, могут воспринимать усилия в любом направлении, препятствуя образованию и развитию трещин в композиции. Кроме того, волокна фибры тормозят движение микродефектов, а после образования трещины в матрице волокна препятствуют ее развитию и росту за счет блокировки появляющихся трещин.

Другим перспективным направлением при креплении нагнетательных скважин может явиться применение «самозалечивающихся» цементов, содержащих мелкодисперсные добавки, «активизирующиеся» и набухающие в контакте с водой, перекрывая тем самым образовавшиеся трещины в цементном камне без воздействия на них с поверхности [21].

Заключение

Для обеспечения длительной сохранности крепи нагнетательных скважин необходимо пересматривать стратегию крепления этих скважин, используя любые технологические приемы, предупреждающие миграцию закачиваемой жидкости по каналам, образованным как на этапе твердения цементного раствора, так и в процессе проведения технологических операций в обсаженных скважинах.

Целесообразным является использование в нагнетательных скважинах заколонных пакеров, размещаемых выше и ниже интервала перфорации.

Перспективным направлением может явиться использование армированных, обладающих повышенной сопротивляемостью к ударным нагрузкам, и самозалечивающихся цементов, способных восстанавливать герметичность крепи после ее нарушения в процессе эксплуатации скважин.

Авторлар туралы

F. Agzamov

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: faritag@yandex.ru

докт. техн. наук, профессор

Әдебиет тізімі

Қосымша файлдар