ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ

Повышенное внимание к креплению и, особенно к его качеству обуславливается тем, что этот процесс является завершающим этапом строительства скважин, и какие-либо неудачи при выполнении этих работ могут свести к минимуму все положительные достижения предыдущей работы.

Недоброкачественное цементирование скважин преимущественно часто выступает единственной и главной причиной нефтегазоводопроявлений, грифонообразований и открытых фонтанов, наносящих серьезный ущерб. К недостаткам некачественного цементирования относят и то, что оно приводит к неправильной оценке нефтегазовых запасов в продуктивных пластах, является причиной перетоков в другие пласты с меньшим давлением, способствует обводнению продуктивных горизонтов.

К сожалению, опыт показывает, что наиболее слабое звено, а именно цементный камень, легко разрушается под действием внешних воздействий. Это могут быть действия агрессивных сред, высокие перепады давлений и динамические нагрузки, передающиеся на цементный камень через обсадную колонну во время различных технологических операций.

Применяемые в настоящее время тампонажные материалы на основе портландцемента обладают низкой ударной прочностью, плохо сопротивляются ударным нагрузкам и имеют низкую прочность на разрыв.

По мнению многих исследователей, осложнения, связанные с преждевременным обводнением скважин, напрямую зависят от низкой деформационной способности цементного камня.

Одним из способов повышения прочностных свойств цементного камня является армирование цемента. Дисперсное армирование и армирование непрерывной волокнистой арматурой изменяет поведение цементного камня и других видов искусственных камней, придавая ему повышенную стойкость к растрескиванию, изгибающим и разрывным нагрузкам, позволяет создать необходимый запас прочности, сохраняя целостность конструкции, даже после появления сквозных трещин.

При разработке высокопрочных материалов широко используют принципы композиций: для их изготовления применяют несколько компонентов, обладающих различными физико-механическими свойствами (особенно упругопластическими). На основании этого принципа разработаны дисперсно-армированные тампонажные (на базе портландцементов) материалы, представляющие смесь вяжущего и коротких волокон, произвольно ориентированных и равномерно распределенных по всему объему, работающих совместно с матрицей за счет сил сцепления.

Волокна, применяемые для армирования, должны обладать достаточной стойкостью в продуктах твердения, высокой механической прочностью и определенным сцеплением с цементным камнем (адгезией), быть дешевы и доступны. Так как волокна используют для дисперсного армирования тампонажных материалов, применяемых в широком диапазоне температур (от    0 до +250 °С), они должны быть термостойкими.

В качестве армирующих добавок используют волокна трех типов: искусственные (нейлон, полипропилен, полиэтилен и другие), минеральные (шлаковые, кварцевые, асбестовые, базальтовые и другие), а также органические (хлопок и другие).

Фибра базальтовая обладает высокой прочностью и долговечностью, высокой термостойкостью, абсолютной негорючестью, стойкостью к агрессивным средам, экологически чистая. Фибра базальтовая предназначена для трехмерного упрочнения, в несколько раз повышает стойкость цементного камня к растрескиванию, изгибающим и разрывным нагрузкам, создает необходимый запас прочности и способствует сохранению целостности конструкции при сквозных трещинах, а также позволяет значительно уменьшить общий вес строительных конструкций.    

Базальтовые фиброволокна совмещают в себе высокие технологические показатели базальта:

1) механическая прочность;

2) устойчивость к химически агрессивным средам (от кислот до щелочей);

3) стойкость к перепадам температур;

4) волокна из базальта не теряют своих свойств в зависимости от кислотности среды, не токсичны;

5) не образует взвешенной в воздухе пыли;

6) не горят;

7) легко вводятся в сухие бетонные смеси.

Для определения прочности на изгиб и сжатие использовались формы для приготовления цементных образцов с размерами 40x40x160 согласно ГОСТ 1581-96. Образцы после извлечения из воды вытирались и испытывались на рычажном приборе Михаэлиса и приборе Мицис-200-3, который был модернизирован путем добавления в его конструкцию индикаторов часового типа с ценой деления 0,01 мм.

В процессе работы была измерена продольная и поперечная деформация цементного камня. Деформация измерялась на каждой половинке образца.

Выполненные исследования позволили сделать следующие выводы:

1) Анализ трещинообразования и разрушения показал значительное различие поведения неармированного и дисперсноармированного камня.

Неармированный цементный камень разрушается с формированием первых признаков трещинообразования на больших гранях образца незадолго до разрушения, которое происходит с образованием магистральной вертикальной трещины при ее минимальном ветвлении.

Дисперсноармированный цементный камень разрушается с формированием множественных трещин при их характерным ветвлении, что указывает на его большую вязкость, а также более высокую энергоемкость процесса разрушения.

2) Повышение прочности цементного камня достигается путем ввода в раствор волокон базальтовой фибры. Базальтовая фибра в качестве добавки на ранних стадиях в общем случае улучшает прочностные качества цементного камня, слагающего крепь скважин. Повышение прочности при дисперсном армировании обусловлено тем, что волокна, свободно ориентируясь, и при равномерном распределении в матрице могут воспринимать усилия практически любого направления, что и будет препятствовать образованию и развитию трещин в композиции.

3) Наилучшие результаты получены с добавкой 0,5% базальтовой фибры, при которой цементный раствор имеет наиболее оптимальные прочностные характеристики и сохраняет свою подвижность.