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.
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.
