В настоящий момент нефтегазовая промышленность России формирует значительную часть внутреннего валового продукта страны, в связи с чем весьма актуальным остается строительство нефтяных и газовых скважин [1, 2].
Важную роль при строительстве скважин играет качественный цементаж обсадных колонн [3]. Современные исследования цементов на прочность учитывают только статические характеристики, которые не изменяются быстротечно во времени [4, 5, 6]. Однако вибрация и усталостные разрушения цементного камня могут привести к нарушению герметичности крепи скважины, вследствие чего могут появиться межколонные перетоки флюида и другие осложнения [7, 8]. Кроме того, после успешного проведения опрессовочных работ целостность цементного камня может быть нарушена дальнейшей проводкой скважины и сопутствующей ей вибрацией [9, 10].
Возможными экономическими последствиями некачественного цементирования являются дополнительные работы по ликвидации перетоков, восстановлению целостности колонны или зарезка боковых стволов. Нередки случаи, когда после ОЗЦ и сдачи скважины заказчику в результате разрушения целостности цементного камня после дальнейшего бурения скважины появлялись межпластовые перетоки [9].
Основной проблемой при определении динамической прочности является отсутствие общепринятой методики и оборудования, способного измерять прямым методом вибрационную прочность цементного камня [11, 12, 13]. Существуют косвенные методы, например, ультразвуковые или по колебанию металлического прутка. Но все эти методы характеризуются большой погрешностью, нередко доходящей до 50 %. Ученые из разных стран занимаются разработками в данном направлении [14, 15, 16].
В работе «Экспериментальное исследование нарушения герметичности заколонного пространства при разбуривании цементного камня и оснастки обсадных колонн» Д.Э. Тсикплону провел натуральный эксперимент по определению разрушающего воздействия колонны бурильных труб на цементное кольцо. В результате исследования было выявлено, что вследствие латеральной вибрации и ударов КНБК о стенку скважины происходит полное разрушение цементного кольца за 12 минут при нагрузке на долото в 80 кН и частоте вращения 80 об/мин. Данный эксперимент подтверждает целесообразность применения мер для снижения негативного влияния вибрации на крепь скважины [8].
В работе «Влияние частиц и волокон каучука на поведение при динамическом сжатии новых сверхлегких цементных композитов: численное моделирование и метамоделирование» Чжэнью Хуан и др. смогли спрогнозировать параметры сверхлегких цементных составов с различными добавками. Всего было проведено 60 физических экспериментов, которые были интерпретированы с помощью модифицированной модели Холмксвита-Джонсона-Кука в метамодель. Установлено, что для сверхлегких цементных смесей результаты моделирования очень хорошо согласуются между собой, особенно при низком содержании полиэтиленовых волокон. После подробного сравнения численного моделирования и результатов испытания на приборе Split Hopkinson pressure bar (SHPB) было установлено, что прогнозируемые пиковые значения и скорость деформации имеют погрешность в 2,91 % и 4,51 % соответственно [16]. Таким образом, можно сказать, что данный метод компьютерного моделирования можно применять с определенной погрешностью для расчета прочности цементного камня.
В продолжение работы «Динамические характеристики сжатия нового сверхлегкого цементного композита с добавлением резиновой крошки» Чжэнью Хуан и др. изучили влияние резиновой крошки на динамическую прочность образца цемента. Испытание на динамический удар было проведено на аппарате SHPB диаметром 120 мм. При одинаковой скорости деформации увеличение содержания каучука приводит к большему раздроблению на маленькие фрагменты цемента, особенно при высокой скорости деформации [15].
Поскольку в композитах имеются пустотные дефекты, то следует отметить, что при статическом испытании на сжатие повреждение обычно начинается с самой слабой области с образования трещины, что приводит к окончательному разрушению композита только с несколькими основными трещинами. В отличие от статических реакций, приведенных ранее, быстрое высвобождение энергии удара с высокой скоростью деформации невозможно [16]. Этот процесс завершается распространением одиночной трещины, поскольку скорость раскрытия трещины намного ниже. Эта задержка приводит к возникновению множественных трещин до тех пор, пока не произойдет окончательная фрагментация образца. После добавления резиновой крошки в цементный композит, кинетическая энергия может высвобождаться более эффективно за счет упругой деформации и рассеивания энергии [15].
Алексеев К.Н. в работе «Влияние циклов замораживания – оттаивания на способность мелкозернистого бетона сопротивляться динамическим (ударным) нагрузкам в зависимости от содержания базальтовой фибры» установил, что наличие в цементе, который подвергается циклической заморозке и оттаиванию, армирующей фибры способно увеличить затраты энергии на разрушение образца до двух раз, что положительно сказывается на прочности композитного цементного состава [17].
Росарио Г. Меродио-Переа в работе «Механические свойства цемента, армированного чистыми и функционализированными углеродными нанотрубками: Имитационные исследования» с помощью программных продуктов Material Studio смоделировал взаимодействие цемента и нанотрубок. Полученные результаты показывают, что Модуль Юнга имеет более высокие значения при увеличении концентрации карбоксильных групп. Это означает, что соединения с функционализированными нанотрубками демонстрируют лучшие механические свойства по сравнению с чистыми нанотрубками [18].
В работе «Свойства сверхлегких цементных композитов с нанокремноземом» Хунцзянь Ду был рассмотрен новый материал и его влияние на крепость цемента на сжатие. Развитие прочности для двух серий цемента увеличивается с увеличением возраста отверждения и достигает 21,2 МПа в возрасте 28 дней. Добавление нанокремнозема позволило повысить прочность на сжатие для каждого возраста тестирования. Отмечается, что эффект был максимальным при добавке нанокремнозема в 2 %. Это улучшение прочности на сжатие можно объяснить уплотненной межфазной переходной зоной между наполнителем и цементной матрицей за счет более качественной связи частиц и плотной упаковки [19].
Бохао Ван в статье «Экспериментальное исследование подверженного вибрации каменно-наполненного цемента» привел результаты исследования свойств бетона, который был уплотнен с помощью внешней вибрации. Были проведены лабораторные и стендовые испытания. В результате были получены данные, показывающие, что более крупный размер наполнителя, более низкая текучесть и меньший размер частиц действительно приводят к более высокому общему уровню дефектов вибрированного цемента, но большинство дефектов таких, как вышеупомянутые полости. В результате чего делается вывод, что подверженный вибрации бетон глубже проникает в породу и лучше схватывается с ней, что положительно сказывается на крепости цемента [20].
Методика исследования
Для решения вопроса определения динамической прочности цементного камня необходимо провести натурные исследования, для этого был сконструирован испытательный стенд. Основные части стенда представлены станиной, силовым агрегатом, набором датчиков и блоком обработки данных (рисунок 1).
В качестве силового агрегата, создающего ударные (динамические) воздействия, был выбран перфоратор Makita HR2475 с выходной мощностью 780 Вт, энергией удара 2,3 Дж и максимальной частотой ударов 4500 мин-1. Станина была выполнена из стойки для вертикального сверления и модернизирована для установки датчиков. При опускании ручки подвижной части станины происходит создание осевой нагрузки на испытуемый образец цементного камня. Для создания постоянной нагрузки используется груз массой 5 кг, при расположении которого на ручке стойки создается усилие в 120 Н. При данных условиях свободный ход ручки вниз составляет 0,015 м, и при ходе ее на это расстояние испытание считается завершенным.
Для определения нагрузки на исследуемый образец используются четыре полумостовых тензодатчика, собранных в мостовую схему и аналого-цифровой преобразователь на базе микросхемы HX711 с частотой дискретизации 80 Гц. Кроме того, для определения шоков вибрации и числа ударов используется трехосевой гироскоп и акселерометр GY-521 с максимальным диапазоном измерения ±16g.
Блок обработки данных представлен платой Arduino UNO и персональным компьютером, с установленной средой разработки Arduino IDE. Arduino UNO представляет отладочный комплекс, выполненный на базе микроконтроллера ATMega328. Плата является «посредником» между пользователем и микроконтроллером, позволяя удобно соединять датчики и загружать прошивку прямо из среды программирования.
В качестве образцов для исследования были выбраны цементные кубы с ребром 0,05 м и водотвердым отношением 0,5. Для усиления образцов использовались армирующие фибры из базальта и полипропилена. После добавления воды цементное тесто перемешивалось в течение трех минут для лучшего распределения фибры и заливалось в заранее подготовленные формы. Время ожидания затвердевания цемента составляло 24 ч., так как в соответствии с Приказом Ростехнадзора от 15.12.2020 г. № 534 «Правила безопасности в нефтяной и газовой промышленности» по истечении этого времени можно проводить дальнейшее углубление скважины, в результате которого происходит ударное воздействие на неполностью затвердевший цемент.
Полученные образцы испытаны на изготовленном стенде на динамическую и статическую прочность с использованием пресса.
Для осуществления экспериментальных исследований было изготовлено два набора образцов каждого типа из Евроцемента М500. Один набор образцов был испытан на статическую прочность с использованием пресса. В результате эксперимента были получены результаты, представленные в таблице 1.
Второй набор образцов был испытан на динамическую прочность. В результате исследования было определено число циклов нагружений на образец, время испытания, а также средние значения по перегрузкам, приложенным к образцам. В таблице 2 представлены результаты динамических испытаний.
Для всех образцов наблюдалась одна и та же средняя перегрузка. Это связано с тем, что использовалась одна силовая установка с неизменными параметрами. Кроме того, были получены графики зависимости нагрузки от времени (в одной секунде 85 записей) (рис. 2–4). На рисунках 5–7 показаны образцы после проведения испытаний.
![](/upload/medialibrary/d56/rmv85u69e5z0ugn8kkybq5q48ypnzp28/content_img.png)
![](/upload/medialibrary/e58/084jyq3rzr24ytmpzm3dkoz8h6uoucs0/content_img.png)
Анализ результатов исследования
Результаты статических испытаний (таблица 3) показывают, что добавление базальта в цемент приводит к снижению прочности образцов по сравнению с цементом без добавок. Наименьшее снижение прочности наблюдается у образца № 9 и составляет -4,6 %. Наилучшим образом повела себя добавка полипропилена с концентрациями 0,9 г/л и 1,3 г/л. По сравнению с образцом № 1 увеличение прочности составило 18,2 % и 15,2 % соответственно.
На рисунках 8 и 9 показана сопротивляемость образцов разрушению в зависимости от концентрации добавок полипропилена и базальта соответственно.
Из графиков 8 и 9 следует, что обе добавки при концентрации 1,3 г/л и 1,7 г/л приводят к снижению динамической прочности цементного камня. Пока точно не установлено, с чем связано такое поведение образцов. Для уточнения этого явления необходимо проведение дополнительных исследований.
При изучении полученных зависимостей нагрузки от времени можно выделить пять стадий.
Стадия I соответствует началу работы датчиков и созданию статической нагрузки на образец путем установки груза на ручку стойки. На стадии II происходит подготовка к испытанию, проверяется работа датчиков и сохранение данных. Стадия III начинается с включения силового агрегата. В этот момент происходит сопротивление образца динамической нагрузке. Нагрузка изменяется в небольших пределах, так как происходят быстрые удары по образцу, каждый из которых немного увеличивает нагрузку на образец, а по прошествии удара нагрузка стремится вернуться в первоначальное положение. Полученное изменение нагрузки продолжается до стадии IV. Началом стадии IV можно считать уменьшение нагрузки на тензодатчиках, так как наблюдается разрушение образца и ручка подвижной части станины, проходя по дуге, останавливается в крайнем нижнем положении. Стадия V наступает с момента полного опускания ручки подвижной части станины, поскольку образец уже разрушился. Силовая установка выключается, а испытание считается завершенным.
Принимая во внимание вышесказанное, можно дать название всем стадиям:
Стадия I – Создание нагрузки;
Стадия II – Подготовительный этап;
Стадия III – Сопротивление динамической нагрузке;
Стадия IV – Разрушение образца;
Стадия V – Окончание испытания.
По продолжительности стадий III и IV можно судить о динамической прочности образца. В таблице 3 представлены численные характеристики.
Таким образом, можно сделать вывод, что добавка полипропилена и базальта в цемент в любой из предложенных концентраций повышает устойчивость образцов к динамическим нагрузкам. Сильнее всего повышает прочность добавка полипропилена в концентрации 2 г/л. Образец № 5 смог выдержать в 13 раз больше циклов нагружений, чем цемент без добавки. Образец с базальтовым наполнителем в концентрации 2 г/л смог выдержать в 8,5 раз больше нагружений, чем обычный цемент без добавки.
Кроме того, следует обратить внимание на тот факт, что длительность разрушения образца с наполнением базальта не превышает 10 секунд, что говорит о быстрой потере связности образца после достижения большого числа ударов. В свою очередь, образцы с полипропиленовым наполнителем способны увеличить продолжительность IV стадии на полминуты или на 9 % от общего времени испытания, что подтверждается данными, представленными в таблице 5. Вероятно, такое поведение полипропиленовой фибры связано с ее прочностью на растяжение.
Следует отметить, что образцы с полипропиленом не распадались на мелкую фракцию, а оставались в связанном состоянии благодаря волокнам (рисунок 6). На фотографиях видны волокна фибры, на которых остались частицы цемента. Основание кубов, которое находилось дальше всего от ударного воздействия, осталось квадратной формы. Образцы с базальтовой фиброй разрушались на крупные агрегаты (рисунок 7), сопоставимые по размерам с цементом без добавок (рисунок 5).
Выводы
Таким образом, динамические исследования цементных композиций являются важным направлением, способствующим пониманию основных принципов надежного крепления скважин. Вибрация, удары КНБК о стенку скважины при углублении скважины и быстротечное движение флюида в колонне приводят к разрушению цементного камня. Исследования показывают, что длительные циклы нагрузки-разгрузки на образцы способны образовывать или удлинять уже существующие трещины в крепи скважины. Данное явление может привести к разрушению цементного кольца, межколонным перетокам и даже к потере скважины.
Таким образом, принимая во внимание изученный материал и собственный опыт, был разработан и опробован стенд для динамических испытаний цемента. В результате исследований были получены графики зависимости циклов нагружений от концентрации армирующих добавок. Наивысшей динамической прочностью будет обладать цемент с добавкой полипропиленовой фибры в концентрации 2 г/л. Он способен выдержать 16 556 ударов до разрушения в течение 272 секунд, что превышает динамическую прочность образца без добавок в 13 раз. При этом наблюдается снижение статической прочности на 9,1 %. Основными показателями динамической прочности цемента можно считать время сопротивления разрушению и количество циклов нагружений.
Литература
1. Литвиненко, В.С. Оценка роли государства в управлении минеральными ресурсами / В.С. Литвиненко, Е.И. Петров, Д.В. Василевская, А.В. Яковенко, И.А. Наумов, М.А. Ратников // Записки Горного института, № 259, V 259, 2023. С. 95–111.
2. Litvinenko, V.S. The social and market mechanism of sustainable development of public companies in the mineral resource sector / V.S. Litvinenko, P.S. Tsvetkov, K.V. Molodtsov // EURASIAN MINING, № 1, 2020. pp. 36–41.
3. Николаев, Н.И. Результаты исследования зоны контакта «цементный камень – горная порода» / Н.И. Николаев, Лю Хаоя // Записки Горного института. 2017. Т. 226. С. 428–434. DOI: 10.25515/PMI.2017.4.428.
4. Bakirov, D. L. Research of a cement stone fragility in the annular space of a well // Oilfield Engineering. 2020. № 3. pp. 31–35.
5. Anya, A. Effect of size and shape of oil well cement test specimen on uniaxial compressive strength measurements / A. Anya, H. Emadi, M. Watson // Journal of Petroleum Science and Engineering. 2020. № October 2019 (195). рр. 107–121.
6. Zimina, D.A., Zhapkhandaev C. A., Petrov A. A. Analysis of the Effect of Nanosilicates on the Strength and Porosity of Cement Stone // Key Engineering Materials. 2020. (854). pp. 175–181.
7. Сафиуллин, И.К. Повышение удароустойчивости цементного камня к динамическим нагрузкам методом фиброармирования тампонажных материалов / И.К. Сафиуллин, С.Ф. Комлева // Нефтяная провинция. 2016. (1). C. 73–82.
8. Тсикплону, Д.Э. Экспериментальное исследование нарушения герметичности заколонного пространства при разбуривании цементного камня и оснастки обсадных колонн / Д.Э. Тсикплону, М.В. Двойников, К.К. Дживорну // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. 2021. № 3 (339). С. 10–14.
9. Двойников, М.В. Вибрационные процессы низа бурильной колонны при различных способах бурения скважин / М.В. Двойников, А.А. Куншин, Д.И. Сидоркин, В.Г. Гореликов, К.С. Купавых // Бурение и нефть. 2022. № 10. С. 38–46.
10 Блинов, П.А. Обоснование использования смол для улучшения упруго-прочностных свойств цементного камня и сравнительная оценка с существующими технологическими решениями / П.А. Блинов, М.В. Двойников, М.И. Садыков [и др.] // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. – 2021. – № 9(345). – С. 31–36. – DOI 10.33285/0130-3872-2021-9(345)-31-36. – EDN OPRZZW.
11. Cao, S. Dynamic response of cement-tailings matrix composites under SHPB compression load / S. Cao, E. Yilmaz, W. Song // Construction and Building Materials. 2018. (186). pp. 892–903.
12. Gonov, M. E. Mechanical properties of fiber concrete under dynamic compression // Problems of Strength and Plasticity. 2022. № 1 (84). pp. 130–148.
13. Guo, C. Using sulphoaluminate cement and calcium sulfate to modify the physical–chemical properties of Portland cement mortar for mechanized construction / C. Guo, R. Wang // Construction and Building Materials. 2023. (367). pp. 130–142.
14. Lei, Z. Research on the dynamic impact performance of polyurethane cement-based composite // Construction and Building Materials. 2022. № December 2021 (336). pp. 127–139.
15. Huang, Z. Dynamic compressive behavior of a novel ultra-lightweight cement composite incorporated with rubber powder // Composite Structures. 2020. № January (244). pp. 112–125.
16. Huang, Z. Effect of rubber particles and fibers on the dynamic compressive behavior of novel ultra-lightweight cement composites: Numerical simulations and metamodeling // Composite Structures. 2021. № August (258). pp. 113–120.
17. Alekseev, K. N. Effect of cyclic freeze and thaw on impact resistance of fine-grained concrete depending on basalt fiber content // Mining Informational and Analytical Bulletin. 2018. № 12. pp. 84–91.
18. Merodio-Perea, R.G. Mechanical Properties of Cement Reinforced with Pristine and Functionalized Carbon Nanotubes: Simulation Studies // Materials. 2022. № 21 (15). pp. 734–739.
19. Du, H. Properties of ultra-lightweight cement composites with nano-silica // Construction and Building Materials. 2019. (199). pp. 696–704.
20. Wang, B. Pilot Study on Vibrated Rock-filled Concrete // Journal of Advanced Concrete Technology. 2019. № 10 (17). pp. 559–570.