Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ факторов, приводящих к нарушению крепи скважин 11
1.1 Анализ промысловой информации по состоянию крепи скважин на нефтяных и газовых месторождениях 11
1.2 Нагрузки, действующие на крепь скважины 14
1.2.1 Нагрузки, действующие на крепь скважины при перфорации 17
1.2.2 Нагрузки, действующие на крепь скважины при гидравлическом разрыве пласта 22
1.2.3 Нагрузки, действующие на крепь скважины при опрессовке обсадных колонн 26
1.2.4 Нагрузки, действующие на крепь скважины в процессе механического бурения 29
1.2.5 Графическая интерпретация динамических нагрузок на основе метода конечных элементов 32
1.3 Методы оценки герметичности крепи скважины 37
1.4 Тампонажные материалы, применяемые для крепления скважин 41
1.5 Выводы по главе 1. Определение цели и постановка задач работы 46
ГЛАВА 2 Обоснование рабочей гипотезы и методика проведения исследований по определению влияния динамических воздействий на крепь скважины 47
2.1 Обоснование рабочей гипотезы 47
2.1.1 Требования к цементному камню 49
2.1.2 Композиты: механизм разрушения 54
2.1.3 Обоснование материала наполнителя 57
2.2 Теоретическое обоснование схем и методики расчета 67
2.3 Теоретическое обоснование построения паспорта прочности 75
2.4 Критерии разрушения цементного камня на основе теории трещин 82
2.5 Фрактально-синергетическая концепция механического поведения цементного камня 85
2.5.1 Концепция структурных уровней деформации 86
2.5.2 Кинетическая теория Журкова разрушения твердых тел.. 89
2.5.3 Функция плотности энергии деформации 93
2.5.4 Критерии линейной и нелинейной механики разрушения 96
2.5.5 Динамическая механика разрушения 98
2.6 Универсальные параметрические диаграммы механического состояния цементного камня 102
2.6.1 Базовая параметрическая зависимость прочности от времени 102
2.6.2 Механизмы пластической деформации, контролирующие повреждаемость 103
2.6.3 Шероховатость поверхности разрушения как показатель фрактальной геометрии трещины 104
2.6.4 Связь энергии разрушения с фрактальной размерностью 105
2.7 Методика проведения исследований 106
2.7.1 Обоснование модели и расчетных условий 106
2.7.2 Методика проведения исследований по определению прочностных характеристик цементного камня 107
2.7.3 Методика проведения испытаний по определению эластичности цементного камня 107
2.7.4 Методика проведения испытаний по определению паспорта прочности цементного камня 108
2.7.5 Методика проведения испытаний цементного камня на газопрорыв 109
2.8 Выводы по главе 2 115
ГЛАВА 3 Результаты расчета напряжений, возникающих в крепи скважины при воздействии динамических нагрузок 116
3.1 Расчет напряжений, возникающих в цементном камне при перфорации 116
3.2 Расчет напряжений, возникающих в цементном камне при опрессовке 125
3.3 Расчет напряжений, возникающих в цементном камне при ГРП 130
3.4 Расчет напряжений, возникающих в цементном камне при углублении скважины 135
3.5 Анализ полученных результатов расчетов 140
3.6 Сопоставление полученных напряжений с характеристиками цементного камня 147
3.7 Оценка разрушения цементного камня на основе фрактально-синергетической концепции механического поведения 151
3.8 Выводы по главе 3 154
ГЛАВА 4 Исследование силикатных армирующих добавок как средства повышения сопротивляемости динамическим воздействиям при сохранении герметичности крепи скважин 155
4.1 Оценка разрушения цементного камня с волокнистыми наполнителями на основе фрактально-синергетической концепции механического поведения 155
4.2 Стойкость волокнистых наполнителей к воздействию агрессивных сред 168
4.3 Влияние волокнистых наполнителей на свойства цементного раствора и камня 169
4.4 Построение паспорта прочности цементного камня со стеклонитом 180
4.5 Построение паспорта прочности цементного камня с асбестовым наполнителем 188
4.6 Оценка эластичности цементного камня с волокнистыми наполнителями 195
4.7 Испытания на газопрорыв цементного камня, армированного волокнистыми наполнителями 204
4.8 Выводы по главе 4 217
Основные выводы и рекомендации 218
Литература 220
Приложения 232
- Анализ промысловой информации по состоянию крепи скважин на нефтяных и газовых месторождениях
- Обоснование материала наполнителя
- Расчет напряжений, возникающих в цементном камне при перфорации
- Оценка разрушения цементного камня с волокнистыми наполнителями на основе фрактально-синергетической концепции механического поведения
Введение к работе
Актуальность работы. Практика крепления скважин показывает, что цементный камень, обеспечивающий герметичность крепи, является наиболее слабым звеном и может легко разрушаться под воздействием нагрузок, каковыми являются значительные динамические нагрузки, высокие перепады давления, передающиеся на цементный камень при выполнении различных технологических операций, а также агрессивные среды. Именно динамические воздействия в наибольшей степени нарушают целостность крепи. Следствием этого могут быть межколонные и заколонные перетоки, прорыв посторонних вод в интервал перфорации, преждевременное обводнение скважин.
Динамические нагрузки на промежуточные колонны и цементный камень за ней при углублении скважин достигают достаточно больших величин. Например, по данным В.П. Белова, Г.А. Полыновой, и др. ударные нагрузки на промежуточную колонну при бурении долотом диаметром 190 мм и бурильными трубами диаметром 127 мм могут превышать 10 МН. Естественно, что такие нагрузки не проходят бесследно для цементного камня, который растрескивается и разрушается [7, 34].
Основным фактором, обуславливающим разрушение цементного камня при динамическом нагружении, является его низкая деформационная способность. Данный фактор имеет негативные последствия и при гидроразрыве пласта (ГРП), который можно проводить только в том случае, когда цементный камень наберет достаточную прочность, чтобы сопротивляться прорыву жидкости через него, а также будет иметь достаточную эластичность, чтобы противостоять образованию трещин при напряжениях растяжения.
Высоких значений дополнительные нагрузки на цементный камень достигают при опрессовке обсадных колонн и перфорации. Например, по данным специалистов компании «Шлюмберже» при кумулятивной перфорации внутреннее давление на обсадную колонну может достигать 300 МПа [136].
Применяемые в настоящее время тампонажные материалы на основе портландцемента плохо сопротивляются ударным нагрузкам и имеют низкую прочность на разрыв. Многие осложнения, связанные с преждевременным обводнением скважин, напрямую зависят от низкой деформационной способности цементного камня.
Несмотря на большой объем исследований в этой области и разработку новых перспективных решений, проблему нельзя считать решенной, поскольку тампонажный портландцемент еще долгое время будет являться основным материалом при цементировании обсадных колонн.
Значительный вклад в развитие научных представлений о процессах твердения тампонажных растворов, а также в разработку технологических приемов, направленных на предупреждение нарушений герметичности крепи и повышение качества цементирования нефтяных и газовых скважин внесли отечественные и зарубежные исследователи: Ф.А. Агзамов, М.О. Ашрафьян, А.И. Булатов, Ю.М. Бутт, А.А. Гайворонский, B.C. Данюшевский, Н.Х. Каримов, В.И. Крылов, А.А. Клюсов, Н.И. Титков, Р.И. Шищенко, Л.Б. Измайлов, J.D. Birchell, Д.Ю. Мочернюк, Г.М. Саркисов, Ю.С. Кузнецов, А.Т. Кошелев, М.Р. Мавлютов, Д.Ф. Новохатский, В.П. Овчинников, В.Н. Поляков, П.Ф. Паринов, Г.М. Толкачев, С.А. Рябоконь, Е.К. Мачинский и ряд других ученых. Однако, несмотря на большой объем исследований в этой области, проблема нарушений герметичности крепи скважин остается актуальной и в настоящее время.
Цель работы. Повышение герметичности крепи скважин путем оценки рационального времени проведения технологических операций и увеличения сопротивляемости цементного камня динамическим нагрузкам.
Задачи исследования
Анализ основных факторов, приводящих к нарушению крепи скважин.
Разработка методики расчета напряжений, возникающих при динамических и ударных нагрузках в крепи скважины, и сопоставление полученных данных с характеристиками цементного камня.
Анализ кинетики разрушения цементного камня на основе фрактально-синергетической концепции механического поведения твердых тел.
Исследование тампонажных составов с повышенной сопротивляемостью к динамическим и ударным воздействиям, полученных на основе принципа композиции.
Методы исследования. Поставленные задачи решались теоретически и экспериментально в лабораторных условиях с использованием стандартных и самостоятельно разработанных методик, приборов, статистической обработки полученных данных с применением ПК. Достоверность выводов и рекомендаций определяется современным уровнем аналитических и значительным объемом практических исследований, высокой степенью сходимости и воспроизводимостью полученных результатов.
Научная новизна
1. Установлено, что напряжения в цементном камне могут составлять (в
зависимости от глубины скважины): при перфорации - от 55 до 450 МПа; при
опрессовке - от 180 до 550 МПа; при ГРП - от 220 до 730 МПа; при углублении
скважин роторным способом - от 20 до 180 МПа.
Установлено, что у цементного камня, полученного из цементных растворов с добавкой волокнистых наполнителей, существенно снижается модуль Юнга, в частности, при добавке асбеста — на 62%, а при добавке волокон стеклонита — на 35%, что способствует повышению удароустойчивости цементного камня в 2,5-6,2 раза.
Впервые показано, что построение паспорта прочности цементного камня позволяет качественно оценивать напряжения, возникающие в крепи скважины в результате динамических воздействий, и способствует определению рациональных сроков проведения технологических операций, сопровождающихся динамическими нагрузками.
Основные защищаемые положения
Методика и результаты расчета напряжений, возникающих при динамических и ударных нагрузках в обсадной колонне и цементном кольце.
Методика и результаты построения паспортов прочности для образцов цементного камня на основе портландцемента с волокнистыми добавками.
Результаты анализа кинетики разрушения цементного камня на основе фрактально-синергетической концепции механического поведения твердых тел.
Практическая ценность работы
Определены концентрации волокнистых силикатных добавок (0,1-1% асбеста и 0,1-0,5% стеклонита), повышающие удароустойчивость и герметичность крепи скважин. Результаты исследования данных добавок положены в методическую основу оценки возможности применения добавок других типов. Рецептура тампонажного состава, содержащая асбест в концентрации 1%, использована ОАО «Азимут» при цементировании промежуточной колонны на месторождении Дулисма (Иркутская область) в скважине №1.
Методика расчета напряжений, возникающих при динамических и ударных нагрузках в обсадной колонне и цементном кольце, и оценка рационального времени проведения технологических операций внутри обсадных колонн используется в УГНТУ при чтении лекций и проведении лабораторных занятий по дисциплинам «Механика сплошной среды» и «Заканчивание скважин» для студентов специальности 130504 «Бурение нефтяных и газовых скважин».
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы обсуждались:
на научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ, Уфа, 2003, 2004, 2005, 2006 гг.;
межрегиональной молодежной конференции «Севергеоэкотех-2003», Ухта, 2003;
Международных научных симпозиумах им. академика М.А. Усова студентов и молодых ученых «Проблемы геологии и освоения недр». Томск, 2004, 2005;
1-й научно-практической конференции «Передовые технологии строительства и ремонта скважин». Пермь, 2004;
II межотраслевой научно-практической конференции «Проблемы совершенствования дополнительного профессионального и социогуманитарного образования специалистов ТЭК». Уфа, 2005;
Международной научно-технической конференции, посвященной памяти Мавлютова М.Р. «Повышение качества строительства скважин». Уфа, 2005;
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе 9 статей, из которых 2 - в журналах, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, выпускаемых в Российской Федерации в соответствии с требованиями ВАК Министерства образования и науки РФ, и 8 тезисов докладов.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы из 144 наименований и 3 приложений. Изложена на 232 страницах машинописного текста, содержит 116 рисунков и 44 таблицы.
Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю доценту Р.Х. Санникову, профессору Ф.А. Агзамову, всему коллективу кафедры БНГС УГНТУ, а также декану ФНГ СахГУ доценту В.П. Васильеву за ценные советы и помощь в написании диссертационной работы.
Анализ промысловой информации по состоянию крепи скважин на нефтяных и газовых месторождениях
После твердения тампонажного раствора крепь скважины испытывает разнообразные нагрузки, связанные с подготовкой скважины к сдаче и последующей ее эксплуатации [7, 93].
Анализ литературных данных [7, 18, 20, 21, 73, 76, 93] показывает, что на стадии проектирования конструкции крепи большинство учитывающихся факторов не всегда бывают в должной мере обоснованы. Связано это с тем, что скважины, бурящиеся для одной цели, нередко переводят в другую категорию. Например, добывающие скважины зачастую могут использоваться как нагнетательные. Поэтому, если нагрузки на крепь скважины были оценены неправильно в стадии проектирования ее конструкции, то это может отрицательно сказаться на долговечности крепи и вызвать осложнения и аварии в процессе дальнейшей эксплуатации скважины.
Однако существует целая группа реальных нагрузок, действующих на крепь скважины, которые при проектировании скважины не учитывают, но в течение всей жизни скважины они оказывают влияние в виде снижения изоляционных и прочностных показателей работы крепи [18, 20, 21, 73, 93]. Речь идет о механическом изнашивании обсадной колонны и разрушении цементного кольца за счет динамических и ударных нагрузок.
В общем случае нагрузка - это силовое воздействие, вызывающее изменение напряженно-деформированного состояния различных конструкций [115, 123]. Нагрузки по характеру изменений во времени делятся на: статические - местоприложение, направление и интенсивность которых принимаются при расчете не зависящими от времени или изменяющиеся столь медленно, что вызываемые ими силы инерции могут не учитываться, и динамические - изменение величины, направления или местоприложения которых происходит столь быстро, что становится необходимым учитывать при расчете значительные силы инерции [117, 131]. По характеру приложения нагрузки к телу, на которое она воздействует, различают: сосредоточенные — прилагаемые к весьма малой площадке (точке), и распределенные - прилагаемые ко всей поверхности (линии) или части ее. Распределенные нагрузки характеризуются интенсивностью, т.е. пределом отношения величины равнодействующей нагрузки, распределенной по данной поверхности (или линии), к величине площади (или длине линии), на которую она действует, если последняя стремится к нулю [117, 123]. Следствием именно динамических нагрузок являются значительные напряжения и деформации в месте их приложения [117]. Удар (ударная нагрузка) - совокупность явлений, возникающих при столкновении движущихся твердых тел, а также при некоторых видах взаимодействия твердого тела с жидкостью или газом (удар струи о тело, действие взрыва или ударной волны на твердое тело и др.). Промежуток времени, в течение которого длится удар, обычно очень мал (от нескольких десятитысячных до миллионных долей секунд), а развивающиеся на площадках контакта соударяющихся тел силы (ударные или мгновенные) очень велики [115, 131]. Следствиями ударных нагрузок являются существенные напряжения и деформации в месте контакта, а также изменение механических свойств материала тел и разрушение тел в месте удара [131]. Как видно из вышесказанного динамические и ударные нагрузки имеют много общего, в частности, каждая из нагрузок сопровождается силовым воздействием, в процессе силового воздействия создаются большие значения напряжений и деформаций, способных разрушить тело, кроме того, обе нагрузки кратковременны. Все это позволяет объединить данные нагрузки в единую группу для последующего рассмотрения их воздействия на крепь скважины. Многие авторы в своих работах заостряют внимание на проблеме механических воздействий, влияющих на показатели работы крепи скважины. Так, в [76] приводится информация о снижении качества цементирования в результате выполнения буровых работ в обсадной колонне. До выполнения этих работ коэффициент качества цементирования, определяемый отношением длины зацементированной части колонны, имеющей хороший контакт, к общей длине интервала подъема цементного кольца составлял 89,1%. После этого было проведено разбуривание цементного стакана и деталей пакеров трехшарошечным долотом с использованием турбобура ТС4А-4 и НКТ. Сравнение результатов АКЦ до и после этих работ показало значительное ухудшение сцепления цементного кольца с обсадной колонной и стенками скважины. В частности, после разбуривания коэффициент качества цементирования снизился до 47,8%. Полученные результаты свидетельствуют о нарушении сплошности контактов цементного камня при даже технически несложных операциях внутри обсадной колонны. Весь перечень работ, проводимых в скважинах и влияющих на сохранность элементов крепи, можно разбить на следующие виды: 1. Воздействие бурильной колонны на обсадную и цементный камень в затрубном пространстве при углублении ствола скважины, при разбуривании цементных стаканов и мостов. 2. Опрессовки эксплутационных колонн и ГРП. 3. Перфорационно-прострелочные работы на стадии ввода скважины в эксплуатацию. В результате воздействия всех или части перечисленных факторов износа элементы крепи скважины подвергаются следующим основным видам нарушений: 1. Растрескивание цементного камня и потеря герметичности крепи под воздействием динамических и ударных нагрузок. 2. Нарушение сцепления цементного камня с обсадной колонной и окружающими породами и образование каналов перетока жидкости. Рассмотрим более детально нагрузки, создающиеся в крепи скважины при указанных выше операциях.
Обоснование материала наполнителя
В практике промысловых работ под качеством цементирования обсадных колонн в скважинах подразумевают степень надежности изоляции пластов и герметичности затрубного пространства, заполненного камнем из тампонажного материала.
Основным критерием качества цементирования обсадных колонн считаются [14] результаты опробования продуктивных горизонтов и вызова притока из них после перфорации, а также отсутствие затрубных межпластовых перетоков или различного рода газоводонефтепроявлений в кольцевых зазорах.
Общепринятыми показателями качества крепления обсадных колонн являются [91]: подъем цементного раствора на расчетную высоту, сплошность цементного камня в интервале цементирования, однородная плотность тампонажного раствора, герметичность колонного и заколонного пространства.
Изучение технического состояния нефтяных и газовых скважин, контроль качества цементирования и герметичность заколонного пространства определяется по данным геофизических исследований, методом СГДТ (селективный гамма-дефектомер-толщиномер), осуществляется комплексом методов термометрии, радиометрии и акустической цементометрии [28, 36, 37, 57,64,91,92,96, 115,118].
В основе термометрического метода лежит представление о том, что в процессе твердения цементного раствора происходит экзотермическая реакция, вносящая изменения в тепловое поле скважины. Время достижения цементным раствором максимальной температуры обычно составляет 8-16 ч, в течение которого изменения температуры фиксируются при помощи электротермометра (ЭТМИ, ТЭГ и др.) [28, 36, 37]. Однако данный метод не дает достоверной и полной информации о качестве цементирования обсадных колонн по причине прекращения тепловыделения "тампонажным камнем после истечения времени ОЗЦ [36, 42, 83]. По той же причине данный метод совершенно непригоден при оценке последствий воздействия различных динамических и ударных нагрузок.
Радиометрический метод основан либо на применении радиоактивных изотопов (метод радиоактивных изотопов), либо на использовании обратной зависимости интенсивности рассеянного гамма-излучения от плотности окружающей среды (метод рассеянного гамма-излучения). В первом случае в цементный раствор добавляют радиоактивные изотопы и регистрируют кривые гамма-излучения в скважине до и после закачки раствора. Во втором случае для получения информации о состоянии качества крепления скважин используется обратная зависимость интенсивности рассеянного гамма-излучения от плотностной характеристики окружающих сред.
Недостатком метода радиоактивных изотопов является то, что применение этого метода требует соблюдения правил безопасного ведения работ, исключающих облучение обслуживающего персонала и загрязнение окружающей среды. Поэтому в настоящее время применение данного метода жестко ограничено. Недостатком метода рассеянного гамма-излучения является то, что достоверные результаты получаются лишь при исследовании скважин большого диаметра (DCKe= 25(Н295 мм), обсаженных колонной диаметром 146 мм, т.е. когда величина цементного камня достаточна для внесения заметных изменений в плотностную характеристику среды в затрубном пространстве. При малой толщине цементного камня, а также при закачке цемента облегченных марок интерпретация получаемых материалов неоднозначна [36]. Таким образом, ряд ограничений в применении и получении достоверной информации не позволяет применять термометрический и радиометрический методы для контроля качества цементирования обсадных колонн после проведения в них различных технологических операций, создающих динамические и ударные нагрузки. Акустический метод. Именно данный метод (а также его разновидность -метод СГДТ) является наиболее эффективным и позволяет получать максимально полную информацию о качестве цементирования обсадных колонн [36, 42, 64, 83]. Кроме того, акустическая цементометрия позволяет исследовать [14] процессы формирования цементного камня в затрубном пространстве и оценивать степень влияния на камень различных динамических и ударных нагрузок, испытываемых обсадной колонной при перфорации, избыточных внутренних давлениях и выполнении других операций в скважине. Метод основан на использовании зависимости интенсивности затухания, скорости и частоты ультразвуковых колебаний от упругих и поглощающих свойств окружающей среды. Акустические измерения проводят путем возбуждения в скважине импульсов упругих колебаний и регистрации приемником, удаленным на фиксированное расстояние от источника колебаний, времени прихода преломленной продольной волны и ее амплитуды. По мере распространения упругой волны от источников колебаний к приемнику происходит перераспределение ее энергии между контактирующими средами: обсадной колонной, цементным камнем и горной породой. Для контроля качества цементирования разведочных и эксплуатационных скважин широко применяются серийные акустические цементомеры АКЦ-1, АКЦ-2, АКЦ-4 [36, 42]. Для работы в действующих скважинах под давлением создана малогабаритная аппаратура АКЦ-36 [36]. С помощью данных приборов на цементограммах регистрируются три параметра (кривые): - амплитуда продольной ультразвуковой волны, распространяющейся по колонне обсадных труб и характеризующей состояние контакта цементного камня с колонной; - амплитуда продольной ультразвуковой волны, превышающей определенный уровень дискриминации и в некоторой степени характеризующей состояние контакта цементного камня с породой.
Расчет напряжений, возникающих в цементном камне при перфорации
Как видно из рисунка 3.21, существует определенная закономерность между изменением температуры и механической прочности цементного камня. Так, если например, выбрать за отправную точку возраст твердения портландцемента 2 суток, то можно заметить следующее: кривая 1, характеризующая твердение цементного камня при температуре 22С, на отметке 2 суток показывает значение его механической прочности, равное 10,3 МПа. Кривая 2 (температура твердения 75С) на той же отметке показывает значение механической прочности цементного камня, равное 19,5 МПа. Кривая 3 (температура твердения 120С) - механическая прочность цементного камня 22,2 МПа. Кривая 4 (температура твердения 160С) - механическая прочность цементного камня 20 МПа. Кривая 5 (температура твердения 200С) -механическая прочность цементного камня 13,5 МПа. Кривая 6 (температура твердения 300С) - механическая прочность цементного камня 9,5 МПа.
Другими словами, рост механической прочности цементного камня прямо пропорционален повышению температуры до 160С. При дальнейшем росте температуры происходит уменьшение прочности цементного камня. Помимо этого кривые прочности цементного камня по-разному изменяются во времени. Кривая 1 на протяжении всего срока растет, кривая 2 растет до срока в 28 суток, затем идет на спад. Остальные кривые, растущие на ранних сроках твердения цементного камня, на границе 2 суток идут на спад, т.е. прочность цементного камня в это время начинает снижаться.
Однако для сопротивления динамическим нагрузкам цементному камню совсем не обязательно иметь высокую прочность. Как упоминалось ранее, чем больше механическая прочность материала, тем этот материал более хрупок, а значит не может обеспечить надежную герметичность. Поэтому для оценки удароустойчивости цементного камня из портландцемента было проведено сравнение его прочностных характеристик с результатами теоретических расчетов напряжений, возникающих при проведении различных технологических операций (см. рисунок 3.22). Для сравнения были выбраны данные рисунка 3.21, характеризующие прочность цементного камня в 2, 7 и 28 суток.
Отличие между рисунками 3.20 и 3.22 заключается в том, что на рисунке 3.20 используются результаты исследований прочностных характеристик портландцемента, полученные по методике, приведенной в главе 2, в ходе выполнения данной диссертационной работы и отраженные в таблице 3.9, а на рисунке 3.22 используются литературные данные, взятые из [20]. При этом результаты теоретических расчетов напряжений, полученные также при выполнении данной диссертационной работы, в обоих случаях одинаковы.
Как видно из рисунка 3.22 при сравнении прочности цементного камня из портландцемента, твердеющего при различных температурах с результатами теоретических расчетов напряжений, было установлено, что: Сопротивляемость цементного камня возникающим при углублении скважин роторным способом напряжениям следующая: Кривая 1 (температура 22С) и кривая 2 (температура 75С) -удароустоичивость цементного камня высокая, возникающие напряжения не нарушают его герметичности; Кривая 3 (температура 120С) — удароустоичивость цементного камня на ранних сроках твердения высокая, однако на более поздних сроках под воздействием ударных нагрузок возможно разрушение цементного камня и как следствие нарушение его герметичности; Кривая 4 (температура 160С) и кривая 5 (температура 200С) -удароустоичивость цементного камня удовлетворительна лишь на очень ранних сроках твердения, в дальнейшем сопротивляемость ударным нагрузкам снижается и данный цементный камень подвержен разрушению; Кривая 6 (температура 300С) — удароустоичивость цементного камня очень слабая, сопротивление ударным нагрузкам практически отсутствует. Сопротивляемость цементного камня возникающим при опрессовке напряжениям следующая: Кривая 2 (температура 75С) - удароустоичивость цементного камня достаточно высокая, однако на более поздних сроках под воздействием динамических нагрузок возможно разрушение цементного камня и как следствие нарушение его герметичности; Кривая 3 (температура 120С) и кривая 4 (температура 160С) -удароустоичивость цементного камня на ранних сроках твердения удовлетворительная, в дальнейшем сопротивляемость ударным нагрузкам снижается и данный цементный камень подвержен разрушению; Кривая 1 (температура 22С), кривая 5 (температура 200С) и кривая 6 (температура 300С) — удароустоичивость цементного камня отсутствует, цементный камень не способен сопротивляться подобного рода динамическим нагрузкам. Сопротивляемость цементного камня возникающим при ГРП напряжениям следующая: Кривая 2 (температура 75С) - удароустоичивость цементного камня достаточно высокая, однако на более поздних сроках под воздействием динамических нагрузок возможно разрушение цементного камня и как следствие нарушение его герметичности; Кривая 3 (температура 120С) и кривая 4 (температура 160С) -удароустоичивость цементного камня на ранних сроках твердения удовлетворительная, в дальнейшем сопротивляемость ударным нагрузкам снижается и данный цементный камень подвержен разрушению; Кривая 1 (температура 22С), кривая 5 (температура 200С) и кривая 6 (температура 300С) — удароустоичивость цементного камня отсутствует, цементный камень не способен сопротивляться подобного рода динамическим нагрузкам. Сопротивляемость цементного камня возникающим при перфорации напряжениям следующая: Кривая 1 (температура 22С), кривая 2 (температура 75С) и кривая 3 (температура 120С) - удароустойчивость цементного камня на ранних сроках твердения неудовлетворительная, цементный камень разрушается под действием возникающих нагрузок, однако на более поздних сроках приобретает способности к успешному сопротивлению динамическим воздействиям, и возникающие напряжения не нарушают его герметичности; Кривая 4 (температура 160С), кривая 5 (температура 200С) и кривая 6 (температура 300С) — удароустойчивость цементного камня отсутствует, цементный камень не способен сопротивляться напряжениям от подобного рода динамических нагрузок. Таким образом, наглядно видно, что цементный камень, образованный из традиционно применяемого портландцемента, не способен в достаточной степени сопротивляться динамическим воздействиям и поддерживать надежность герметичности крепи скважины. Для проверки полученных выводов было проведено построение паспорта прочности цементного камня из портландцемента.
Оценка разрушения цементного камня с волокнистыми наполнителями на основе фрактально-синергетической концепции механического поведения
После приложения динамического воздействия отдельные образцы цементного камня оказались разрушенными, причем наиболее сильное нарушение сплошности наблюдалось в моделях без каких-либо наполнителей (см. рисунок 4.46-4.47). В моделях с добавками как стеклонита, так и асбеста наблюдалось незначительное разрушение цементного камня локального характера в виде растрескивания и отделения от стенок трубы в каждой третьей модели, что не позволило свести результаты к максимуму. Тем не менее, как видно из рисунка 4.46-4.47, модели с наполнителями, будучи даже частично разрушенными, превосходят модели без добавок по способности сопротивляться прорыву газового флюида, тем самым, демонстрируя более высокую герметичность. Сравнение моделей с асбестом и моделей со стеклонитом, в том числе и облегченного цемента (см. рисунок 4.48-4.49), показало, что образцы цементного камня с асбестом более герметичны, чем образцы цементного камня с добавкой стеклонита.
В подтверждение вышесказанного о превосходстве по герметичности образцов цементного камня с наполнителями над образцами без добавок, была проведена оценка ширины трещин, возникших под динамической нагрузкой в теле исследуемых моделей. Теоретические расчеты показали (см. таблицу 4.20), что предельное напряжение равновесия р , характеризующее переход между дальнейшим ростом трещины или его замедлением, меньше чем напряжения р, развивающие дальнейший рост трещины. Другими словами, в образцах цементного камня в зависимости от напряжения очевиден дальнейший рост трещин, возникших в результате динамической нагрузки. В действительности же, как видно из таблицы 4.22, активно и свободно трещины развиваются только в образцах цементного камня без каких-либо добавок, что и приводит к повышению проницаемости образцов. В образцах, где присутствуют наполнители, вопреки полученным расчетам (см. таблицу 4.20), наблюдается замедление роста образовавшихся трещин и понижение их проницаемости (см. рисунок 4.46-4.49). Причем, как видно из рисунка 4.52-4.53, максимальное замедление роста трещин и соответственно минимальная проницаемость присуща образцам цементного камня с концентрацией стеклонита 0,5% и концентрацией асбеста 0,5% и 1%.
Сравнивая по удельной ударной вязкости 7-суточные и 28-суточные образцы, можно сказать, что, в общем, у 7-суточных образцов удароустойчивость цементного камня выше, чем у 28-суточных. Другими словами, образцы цементного камня на 7 сутки являются более пластичными и успешней сопротивляются динамическим и ударным воздействиям. В возрасте 28 суток эти же образцы после набора механической прочности становятся более прочными и вместе с тем более хрупкими, в связи с чем, их способность сопротивляться динамическим воздействиям уменьшается (см. рисунок 4.50-4.51).
Однако, повышение удароустойчивости у образцов цементного камня возможно за счет введения армирующих волокнистых наполнителей. Как показывают результаты испытаний, добавление стеклонита концентрацией от 1% до 5% к цементному раствору, приводит к образованию цементного камня, обладающего на 28 сутки удароустойчивостью, соизмеримой по величине с удароустойчивостью 7-суточных образцов и даже превышающую ее, как в случае с 5% концентрацией стеклонита (см. рисунок 4.51). Тем самым, подтверждая гипотезу переноса проведения некоторых технологических процессов с традиционно ранних на более поздние сроки. Главная сложность в использовании цементного камня с вышеназванными концентрациями стеклонита заключается в том, что добавление этих концентраций снижает растекаемость цементного раствора, являющегося основой рассматриваемого цементного камня, вплоть до нуля и делает невозможным дальнейшее его применение. 1. Установлено, что использование фрактально-синергетической концепции механического поведения цементного камня позволяет упростить практические исследования по определению его основных механических характеристик без потери информативности. 2. Установлено, что стеклонит подвержен химическому воздействию щелочной среды и нейтрален по отношению к кислотной среде, тогда как асбест не реагирует ни с одной из этих сред. 3. Получено, что добавка в цементный раствор стеклонита повышает предел прочности на изгиб 7-суточного цементного камня от 3% до 8%, а 28-суточного - от 3% до 5% в зависимости от концентрации в сравнении с этим же показателем цементного камня без наполнителей. Добавка же асбеста повышает прочность цементного камня на изгиб соответственно на 34-38% и 34-42%. 4. Определено, что для волокон асбеста характерны более высокая дисперсия и хаотичность их распределения в объеме цементного камня по сравнению с волокнами стеклонита независимо от концентрации. Это способствует повышению герметичности цементного камня с добавкой асбеста. 5. Получено, что добавка волокнистых наполнителей приводит к снижению у цементного камня модуля Юнга и повышению его эластичности, причем стеклонит повышает эластичность камня в среднем на 35%, а асбест - на 62%. 6. Установлено, что введение различных концентраций стеклонита и асбеста в цементный раствор способствует повышению удароустойчивости цементного камня и предупреждению нарушений его целостности в 2,5-6,2 раза. 7. Установлено, что повышение удароустойчивости 28-суточных образцов цементного камня сохраняется при концентрациях стеклонита от 1% до 5%.
