Применение синтетического полимерного волокна для увеличения эффективности ремонтно-изоляционных работ

Традиционным методом при ликвидации зон поглощения является применение различных наполнителей, 6ыстросхватывающихся тампонажных материалов. Однако в большинстве случаев эту проблему удаётся решить только ценой неоправданных затрат, средств и времени.

В связи с этим разработана технология РИР с использованием цементоволокнистых материалов. Технология РИР с использованием цементоволокнистых материалов включает в себя использование цементного раствора, содержащего в себе волокнистый наполнитель. В качестве наполнителя используется волокно строительное микроармирующее (далее по тексту - волокно), которое позволяет увеличить эффективность мероприятий по герметизации нарушений, а также цементированию дополнительных колонн, хвостовиков и доподъему цемента за обсадной колонной при проведении работ в условиях поглощений.

Волокно представляет собой полимерные фибриллированные (высокоориентированные) фибры, изготовленные из термопластичных полимеров. Волокно имеет цилиндрическую форму. Общий вид и строение волокна представлены на рис. 1.

Цементные композиции с добавкой волокна отличаются специфическими свойствами: высокой подвижностью при закачивании в кольцевое пространство, высоким кольматирующим эффектом, при этом обеспечивается высокая трещинностойкость. Волокна в тампонажном камне, во-первых, уменьшают образование и распространение трещин усадки при твердении; во-вторых, они не позволяют образовываться и распространяться трещинам, обеспечивая перенос растягивающих напряжений через трещину, волокна, произвольно распределенные в цементном камне, перехватывают микротрещины во время их образования и сдерживают тенденцию их увеличения. Данный метод позволяет обеспечить повышение эксплуатационных показателей заколонного слоя, улучшая его физико-технические показатели и эффективность ремонтно-изоляционных работ.

Технологический процесс производства волокна предусматривает направленную физическую, химическую и композитную модификацию с целью придания механической прочности волокну [1] и химической реакционной активности поверхности (оболочке) волокна к продуктам гидратации цемента. Эта наиболее существенная составляющая волокна определяет функциональное действие направленной кристаллизации цементного камня. Модификация полимера производится различными видами органических и неорганических соединений. Это придаёт поверхности волокна свойства, необходимые для равномерного диспергирования волокон в объёме цементного раствора и химического и механического взаимодействия волокна с дисперсными частицами новообразований, формирующихся при гидратации цемента.

Разработанный технологический процесс производства волокна обеспечивает наиболее плотную наполняемость поверхности и концентрацию молекулярных кластеров в привитом слое. Органические модификаторы оболочки содержат активные функциональные группы, имеющие гидрофильную «головку» (одну или несколько полярных групп типа гидро-, карбокси- и амино групп -ОН, -СООН, -NH2, -S03H, -0S03H, -СООН и т.д.), способные реагировать с клинкерными минералами и продуктами их гидратации, и гидрофобный якорный «хвост», встроенный в основную углеводородную цепь. Вводимые органические и минеральные вещества в расплав полимера оболочки изменяют состав его функциональных групп, образуют дополнительные боковые цепи и сшивки, изменения полярности и фазового состава поверхности. Располагаясь на поверхностях волокна в инициированном состоянии, затравки направленно воздействуют на процесс гидратации, формируя фибриллярные структуры и сростки кристаллогидратов вдоль волокна (рис. 2).

Эти межфазные системы составляют основу образующихся контактных зон, повышают концентрацию кристаллогидратов вблизи поверхности раздела фаз (волокно-цементный камень), что обеспечивает прочное сцепление волокна в цементных системах [2].

Важной частью проблемы создания новых цементных композиционных материалов является получение информации о межфазном физико-химическом взаимодействии цементной матрицы с поверхностью волоконного наполнителя, а также вопрос о влиянии этого взаимодействия на механические характеристики цементных композиционных материалов в целом. Интегральная прочность цементного композита в присутствии волокна определяется рядом факторов, где существенное значение приобретает величина адгезии матрицы к поверхности волокна и величина когезии межфазного слоя новообразований. При достаточно высокой концентрации и удельной поверхности волокон и также при соответствующей толщине и соответствующем минералогическом составе этого слоя начинает играть роль третья фазовая составляющая со своей зависимостью напряженно-деформационных характеристик. Теория межфазных явлений в цементных системах может рассматриваться как совокупность трех основных частей - адсорбции продуктов гидратации на поверхностях, адгезии новообразований к этим поверхностям и минералогического состава и свойств межфазного слоя на границе раздела цементная матрица - волокно. Параметры структурно дисперсного распределения волокна в объеме цементной матрицы определены в зависимости от концентрации волокна в объеме и геометрическими параметрами самих волокон [3]. Так как волокна, являющиеся носителя ми активных центров, имеют протяженную структуру и распределены в объеме цемента равномерно, то при оптимальной дозировке обеспечивают многоуровневую компоновку структуры, запуская механизм самоармирования.

Сущность применения технологии РИР с использованием цементоволокнистых материалов заключается в том, что тампонажный раствор с волокном образует подвижную смесь, которая способна проникать в поры и трещины пласта под избыточным давлением. В то же время фиброцементный раствор не растекается в порах и трещинах, создавая в устье полостей прочный тампон, что обеспечивает экономное расходование тампонажного раствора и сокращение потерь на поглощение пористыми пластами тампонажного раствора на 25-35%. При закачке в пористую среду волокно не оказывает существенного влияния на давление закачки. Волокна ориентированы вдоль закачиваемого потока и практически не оказывают сопротивления при закачке, в то время как при резкой смене направления движения потока волокна оказывают значительное сопротивление (до 10 МПа) в течение времени (обычно до 10 с), необходимого для переориентации волокон, что и обуславливает тампонирование крупных каналов, трещин и пор. Это также наглядно иллюстрируется истечением фиброцементного раствора через крупную металлическую сетку с размером ячейки 1,5x1,5 мм (рис. 3).

Как видно из рис. 3, цементный раствор свободно протекает через сетку, а фиброцементный раствор задерживается на сетке, причём не за счёт механического забивания волокнами ячеек сетки, а за счёт структурной прочности фиброцементного раствора вследствие армирования цементного раствора волокном. В конечном счёте закупоривающая способность раствора с волокном в 3,5 раза выше, чем без волокна.

Для оценки физико-механических характеристик фиброцементного раствора в лабораторных условиях по стандартной методике согласно ГОСТ 26798.1-96 при температуре 20 ±2 °С и атмосферном давлении были определены прочностные свойства балочек из цементного камня модифицированным волокном длиной 6, 12, 18 мм диаметром 22-35 мкм. Результаты испытаний представлены в табл. 1.

Данные, полученные в результате исследований, позволяют констатировать, что тампонажный камень, полученный при добавлении в цементный раствор волокна, характеризуется повышенной на 15-20% прочностью при изгибе и сжатии по сравнению с тампонажным камнем из раствора без волокна. Раствор, модифицированный волокном, характеризуется стабильной однородностью, обладает высокой седиментационной устойчивостью и пониженной водоотдачей.

В процессе испытаний было проведено 7 мероприятий с применением технологии в 6 скважинах ОАО «Татнефть». Технологию использовали в основном для герметизации нарушений с большой приёмистостью. Результаты промысловых испытаний приведены в табл. 2. Успешность работ составила 85 %. Причём в среднем на скважину было израсходовано около 8 т цемента, что примерно в два раза меньше по сравнению со штатными технологиями ликвидации зон поглощений. В скважине № 10268 НГДУ «Джалильнефть» работы по цементированию дополнительной колонны были признаны безуспешными предположительно из-за того, что структурированный фиброцементный раствор ввиду переориентации потока не преодолел проходные отверстия обратного клапана, установленного внизу дополнительной колонны, что обусловлено использованием в цементном растворе волокна с большой длиной BCM-II-12.

Исходя из результатов промысловых испытаний, следует, что при проведении работ при поглощениях длину волокна следует подбирать в зависимости от величины поглощения:

• при удельной приёмистости 3-5 м3/(ч-МПа) используют волокно марки BCM-II-6, длина волокон которой составляет б мм;
• при удельной приёмистости 5-8 м3/(ч-МПа) используют волокно марки BCM-II-12, длина волокон которой составляет 12 мм;
• при удельной приёмистости > 8 м3/(ч-МПа) используют волокно марки BCM-II-18, длина волокон которой составляет 18 мм.

В случае использования пакеров с малым диаметром проходного сечения и цементирования летучек работы необходимо проводить с волокном марки BCM-II-3, длина волокон которой составляет 3 мм.

Таким образом, проведённые исследования по отработке технологии по использованию тампонажного цементного раствора с добавлением волокна показали перспективность данной технологии, успешность которой составила 85%.

ЛИТЕРАТУРА

1. Перепелкин К.Е. Армирующие волокна и волокнистые полимерные композиты: СПб.: Научные основы и технологии, 2009. - 379 с.
2. Добавки в бетон: Справочное пособие / B.C. Рамачандран, Р.Ф. Фельдман, М. Коллепарди и др.; под ред. B.C. Рамачандрана. - М.: Стройиздат, 1988. - 575 с.
3. Рабинович Ф.Н. Композиты на основе дисперсно-армированных бетонов.- М.: Ассоциация строительных вузов, 2004. - 560 с.