Badania statycznej wytrzymałości strukturalnej zaczynów cementowych o obniżonej gęstości przeznaczonych do uszczelniania otworów wiertniczych

Prezentowany artykuł jest rozwinięciem zagadnień z zakresu technologii zaczynów uszczelniających dotyczących tzw. procesów żelowania (tj. narastania w zaczynach cementowych statycznej wytrzymałości strukturalnej w trakcie procesu wiązania). W zdecy- dowanej większości dotychczasowych publikacji w czasopismach naukowych i branżowych omawiano jedynie badania procesów żelowania zaczynów o tzw. normalnej gęstości, wynoszącej około 1800–1900 kg/m3 . W niniejszym artykule skoncentrowano się na zagadnieniu narastania statycznej wytrzymałości strukturalnej zaczynów cementowych, których gęstość kształtuje się na poziomie 1450–1600 kg/m3 . Analizując badania prowadzone na świecie należy podkreślić, że w procesie przeciwdziałania ewentualnym ekshalacjom gazowym z przestrzeni pierścieniowej tempo żelowania zaczynu cementowego odgrywa niezwykle istotną rolę. Dotyczy to zarówno zaczynów o normalnej, jak i o obniżonej gęstości. Po zabiegu wytłoczenia zaczynu poza rury okładzinowe znajduje się on początkowo w stanie płynnym i działa na złoże jako ciecz (poprzez wytworzone ciśnienie hydrostatyczne). Następnie po określonym czasie w zaczynie następuje budowa statycznej wytrzymałości strukturalnej SGS (ang. static gel strength), co powoduje stopniowy spadek ciśnienia hydrostatycznego. Proces ten trwa aż do momentu związania cementu. W Instytucie Nafty i Gazu – Państwowym Instytucie Badawczym opracowano szereg receptur innowacyjnych zaczynów cementowych o obniżonej gęstości, do których wprowadzono dodatki nanokomponentów oraz polimeru wielkocząsteczkowego. Gęstość zaczynów obniżano za pomocą dodatku różnych koncentracji mikrosfer. Receptury lekkich zaczynów, które zawierały w odpowiedniej koncentracji wielkocząsteczkowy polimer o symbolu GS, a także te zawierające nanokomponenty w postaci n-SiO2 i n-Al2O3 cechowały się bardzo korzystnym przebiegiem krzywej żelowania (tj. szybkim narastaniem statycznej wytrzymałości strukturalnej). Lekkie zaczyny cementowe o najkorzystniejszych parametrach, tj. krótkich czasach przejścia TT (ang. transition time), mogą znaleźć zastosowanie w procesie cementowania kolumn rur okładzinowych w otworach wiertniczych – zwłaszcza w warstwach słabo zwięzłych lub horyzontach o obniżonym gradiencie ciśnienia złożowego.

The presented article is an extension of the issues in the field of sealing slurries technology related to the so-called gelling processes (i.e. the build-up of static structural strength in cement slurries during the setting process). The vast majority of papers published in scientific and trade journals discussed only the study of the gelling of slurries with the so-called “normal” density of around 1800–1900 kg/m3 . This article focuses on the issue of the build-up of static structural strength of cement slurries, the densities of which range from 1450–1600 kg/m3 . Based on research conducted around the world, it can be concluded that the rate of gelling of the cement slurry plays an important role in the process of preventing possible gas exhalations from the annular space. This is the case with both normal and reduced density of slurry. The initially liquid cement slurry, when pumped out of the casing, acts as a liquid, creating a certain hydrostatic pressure on the deposit. Then, after some time, the period of building the static gel strength (SGS) starts, causing a gradual drop in hydrostatic pressure. This process continues until the cement sets. The Oil and Gas Institute – National Research Institute has developed a number of innovative recipes for cement slurries with reduced density, with added nanocomponent and high-molecular weight polymer additives. The densities of the slurries were lowered with the addition of various amounts of microspheres. The formulas of light slurries containing the high-molecular weight polymer marked as GS in an appropriate concentration and those containing n-SiO2 and n-Al2O3 nanocomponents were characterized by a very advantageous course of the gelation plot (i.e. rapid static build-up of gel strength). Light cement slurries with the most advantageous parameters, i.e. short Transition Times (TT), can be used in the process of cementing casing columns in boreholes, especially in weakly compact layers or horizons with a reduced formation pressure gradient.