Cimentarea Sondelor

Introducere

Cimentarea sondelor de petrol dar i a celor de gaze se execut n urmtoarele scopuri: mbuntirea consolidrii prin tubare; mpiedicarea circulaiei nedorite a fluidelor prin spatele coloanei; transmiterea sarcinilor axiale ale coloanei masivului de roci, n urma aderenei coloan-ciment-strat etc.

Altfel spus, o bun cimentare nseamn o bun rezisten mecanic a pietrei de ciment i o bun etanare de aceasta, a spaiului inelar. Dar aceste obiective nu au ntotdeauna aceeai importan. De cele mai multe ori este necesar o bun etanare a spaiului inelar; alteori se cere o rezisten ridicat a pietrei formate, determinante fiind condiiile geologice, rolul coloanei tubate, scopul sondei etc.

n general, natura i proprietile fluidelor de foraj folosite influeneaz ntr-un mod hotrtor reuita unei sonde i costul ei. Printr-o alegere adecvat, n concordan cu rocile, fluidele, presiunea ntlnie, se scurteaz durata forajului, sunt prevenite numeroase dificulti i accidente acre pot compromite sonda(prinderi de garnitur sau coloan, erupii libere etc.) se micoreaz numrul de coloane tubate, se prentmpin scderea permeabilitii i a productivitii stratelor productive. De remarcat c 70-80% din energia consumat l ao sond de foraj este cheltuit pentru pomparea fluidului de foraj. Am amintit aici i de fluidele de foraj deoarece, chiar dac rolul lor n foraj nu este acelai, totui ele au unele puncte de convergen cu pastele de ciment: ambele sunt pompate n sond, au o structur complex, uneori asemntoare, reclam unele cunotine de chimie i de reologie, de comportare la temperaturi i presiuni ridicate, necesit unii aditivi li materiale comune.

n acelai timp, pastele de ciment sunt folosite de regul pentru fixarea coloanelor de burlane de pereii sondei i etanarea spaiului dintre burlane i roci, dar i n alte situaii, tot pentru etanare. Sunt necesare paste pompabile, dar stabile, cu densiti variind n limite largi n funcie de presiunea fluidelor din pori sau fisuri, care s nu prizeze nainte de ncheierea operaiei de cimentare i s formeze pietre impermeabile i rezistente. Aceste deziderate impun anumite condiii cimenturilor de sond, aditivilor i pastelor preparate cu ele. Altminteri, ntreaga operaie poate fi o nereuit.

Aadar reuita unei cimentri este deplin dac inelul de ciment din spaiul inelar este etan, rezistent i aderent la roci i la burlane. Factorii de care depinde reuita unei cimentri sunt:naturali, tehnici i tehnologici.

Dintre factorii naturali citm: natura fluidelor cantonate n formaiunile traversate; mineralizaia apelor subterane; condiiile de temperatur i presiune. Referitor la efectul exotermiei cimentului, trebuie specificat c, n perioada prizrii are loc un proces de dilatare-contracie a coloanei, n cursul cruia deformaiile pot influena decisiv calitatea cimentrii.

Factorii tehnici se refer att la geometria spaiului inelar(mrimea jocului radial coloan-sond, excentricitatea coloanei, prezena gurilor de cheie, nclinarea sondei) ct i la echiparea coloanei de burlane(utilizarea centrorilor, scarificatorilor, etc.)

Factorii tehnologici se refer la natura i proprietile fluidului de foraj dezlocuit i ale pastei de ciment, natura fluidului de separare, regimul de curgere n spaiul inelar, metoda i tehnologia de cimentare etc. Ca idee general, se admite c o bun dezlocuire a noroiului de ctre pasta de ciment n spaiul inelar, se obine cu ajutorul regimului de curgere turbulent, iar evaluarea eficienei cimentrii se face n principal prin carotaj termic, carotaj acustic, carotaj radiactiv i probe de etaneitate.

1. Descrierea geologic a structurii

1.1. Cadrul geologic natural

Depresiunea Transilvaniei s-a individualizat i a evoluat ca atare dup paroxismul laramic (nceputul Paleogenului). Dup micrile stirice, apele mrii badeniene s-au ntins peste zonele marginale mai afundate, transformndu-le n arii de acumulare.

Formaiunile geologice ale Depresiunii Transilvaniei sunt reprezentate prin: fundamentul cristalino-mezozoic (alctuit dintr-un fundament cristalin i un nveli sedimentar prelaramic) i formaiunile proprii depresiuni, Paleogen(reprezentat prin Eocen i Oligocen) i Neogen (Miocen i Pliocen).

Structura Nade-Prod-Seleu este situat n unitatea tectonic major Bazinul Transilvaniei i face parte din grupul central al structurilor gazeifere. Se nvecineaz cu structurile: Deleni-Haranglab, Filitelnic, Laslu, oimu i Eliseni. 1.2. Stratigrafia zcmintelor

Cercetarea prin lucrri de foraj nceput n 1929 a permis punerea n eviden a succesiunii sedimentare mio-pliocene, avnd numeroase colectoare saturate cu gaze n zona boltirii Nade.

Prin prospeciunile seismice executate n perioada 1960-1969, completate cu lucrri de foraj s-a pus n eviden la nivelul Buglovianului i Badenianului din zona Prod-Seleu existena unei boltiri anticlinale de adncime, avnd de asemenea numeroase zcminte de gaze libere.

Succesiunea stratigrafic i litologic, prezenta n zona Nade-Prod-Seleu este urmtoarea:Pliocenul cu grosimi de 500-600m, acoper n totalitate regiunea, fiind dispus discordant peste Sarmaian, caracterizat prin prezena formaiunilor nisipoase, cu intercalaii subordonate de marne i argile.

Sarmaianul avnd grosimi de 1400-1600m, este constituit dintr-o alternan de nisipuri argiloase, marne nisipoase i rare intercalaii de gresii. n Sarmaian sunt prezente numeroase colectoare saturate cu gaze care au fost grupate n 15 complexe gazeifere (II-XV).Buglovianul are o grosime de cca. 400m i este alctuit din nisipuri, marne nisipoase i gresii. Colectoarele saturate cu gaze au fost departajate n 4 complexe gazeifere (XV-XVI; XVI; XVII i XVIII).Badenianul investigarea ntregii cuverturi sedimentare pn la formaiunea cu sare(3494m n sonda 100 Nade), a permis deschiderea Badenianului pe o grosime de cca. 1100m. Este alctuit din marne compacte, marne grezoase, cu frecvente intercalaii de gresii i nisipuri argiloase, bine presate. La nivelul colectoarelor grezoase i nisipoase saturate cu gaze s-au departajat 3 complexe gazeifere (XIX; XX; XXI).1.3. TectonicaDin analiza imaginilor structurale ntocmite la diferite repere din Pl, Sa, Bg, Bn se desprind urmtoarele:Din punct de vedere tectonic la nivelul complexelor I-X se individualizeaz n zona Nade o boltire major, cu aspect de dom, uor alungit pe direcia NE-SW.n adncime ncepnd cu complexul XI, sunt prezente dou boltiri cvasidomale distincte, una n zona Nade avnd apexul n apropierea sondelor 45, 65, 103 i cealalt mai extins cu apexul n apropierea sondelor 173, 174, 193 n zona Prod-Seleu.La nivelul complexelor XI-XII; XIII i XIVa,b, nchiderea periclinal mare a condus la formarea unor zcminte extinse avnd o suprafa saturat cu gaze, comun pe ambele boltiri i a zonei de inseurare dintre ele.

La nivelul complexelor XV, XV-XVI ; i XVI exist acumulri de gaze pe ambele boltiri, n timp ce la nivelul complexelot XVII, XVIII, XIX, XX i XXI sunt saturate cu gaze doar colectoarele nisipoase-grezoase din zona de maxim ridicare a boltirii Prod-Seleu.

1.4. Descrierea zcmintelor de gaze

Zcamintele de gaze libere din structura Nade-Prod-Seleu sunt localizate n capcane structurale n care predomin tipul stratiform de bolt i n capcane combinate: structural+stratigrafic: II i structural+litologic: II, XII, XIII, XV-XVI, XVI.Acumulrile de gaze sunt delimitate de ape de zcmnt marginale extraconturale.

Colectoarele sunt constituite din nisipuri presate la nivelul Pliocenului i Sarmaianului (I-XV), din nisipuri, gresii i marne nisipoase la nivelul Buglovianului (XV-XVI) i din gresii i marne nisipoase la nivelul Badenianului (XIX-XXI).Aceste colectoare pot fi caracterizate prin valori de porozitate cuprinse ntre 10-27% i saturaii n gaze cuprinse ntre 50-80%.

1.5. Principalele caracteristici ale fluidelor din mediul poros-permeabil

Fluidele coninute n zcmnt sunt reprezentate prin gaze libere, constituite n proporie de 92-99% metan, alturi de care apar n proporii nesemnificative omologii superiori ai acestuia.

Apele de zcmnt care nsoesc acuumlrile de gaze, prezint o mineralizaie ce variaz ntre 5-8,7g/l NaCl la nivelul orizonturilor superioare(I, II, II, III) i pn la 50-60g/l la nivelul complexelor inferioare.2. Analiza critic a cimentrilor efectuate

pe structur

Structura Nade-Prod-Seleu-Sighioara a fost descoperit n anul 1936 prin sparea sondei 1 Nade.Pe baza studiilor de zcmnt ntocmite la diferite etape ale dezvoltrii s-a dezvoltat exploatarea structurii ajungnd ca la finele anului 1989 gabaritul de exploatare s fie obinut.

n baza recentului studiu de zcmnt s-a hotrt la nivel Romgaz ca pe aceast structur s se execute o investigaie seismic 3D.Pe baza acestei investigaii se poate s apar necesitatea sprii unor sonde noi, n condiiile actuale de spare i cimentare.

Pe aceast structur, pentru exploatarea celor 7 complexe, cu adncimi cuprinse ntre 300 i 2200m, s-au spat un numr de cca. 180 sonde.

Aceste sonde au fost spate cu fluid natural dispersat.Densitatea fluidului, datorit gradientului normal de presiune, nu a depit 1,20 -1,30 kg/dmc. Ca produi chimici utilizai la meninerea proprietilor fluidelor de foraj au fost utilizate urmtoarele substane: hexa metafosfat de sodiu, sod caustic, humat de calciu, extract bazic, bicromat de potasiu, CMA, ferocrom, chimicale produse de industria romneasc din acel moment. Acest fapt a condus la apariia unor escavri a pereilor gurii de sond de pn la cel puin la dublul diametrului sapei.

Ca dop separare ntre fluidul de foraj i pasta de ciment a fost utilizat apa, n cantitate de 1-5m3, n funcie de adncimea i diametrul colanei.

n ce privete calitatea cimetrilor executate la sondele spate pe aceast structur se poate spune c las de dorit, astfel:

- apariia de emanii de gaze n spatele coloanelor la cca. 15% din totalul sondelor datorate:

-dislocuirii insuficiente a fluidului de foraj de ctre pasta de ciment, rmnnd spaii libere ntre piatra de ciment i teren sau coloana de burlane,

- ptrunderii gazelor prin pasta de ciment pn la ntrirea acesteia.

n timpul exploatrii s-a distrus etanarea dintre diferitele orizonturi cu gaze i stratele adiacente cu ap, pe msur ce presiunea gazelor scade, apa care se menine la presiunea iniial ptrunde n sond. Acest fapt conduce la lucrri de reparaii a sondelor.

Presiunea de zcmnt actual din cauza exploatrii sondelor este ntre 20 i 60 % din presiunea iniial.

A cimenta o sond n aceste condiii presupune densiti mici ale pastei de ciment, pentru evitarea pierderilor de circulaie n timpul cimentrii.

Problema migrrii gazelor o vom trata n detaliu n capitolul legat de optimizare.

2.1. Aspecte specifice cimentrilor sondelor de gaze

n primul rand, n cazul sondelor de gaze o importan deosebit o are pregtirea operaiei de cimentare. Gazele se pot strecura cu uurin ntre dou strate cu presiuni diferite, dac ntre piatra de ciment i roc sau ntre piatra de ciment i burlan rmne n urma cimentrii un spaiu necimentat. De asemenea, strecurarea gazelor poate avea loc chiar prin piatra de ciment.

Neetaneitile care apar n piatra de ciment pot fi, ntr-o prim instan, date de permeabilitatea pietrei de ciment. n mod obinuit, ntrirea pastei de ciment se face n mai multe faze. O prim faz const n apariia unor centre de ntrire. Faza imediat urmtoare const n apariia unor legturi ntre centrele de ntrire, iar pasta de ciment se comport ca un fluid de structur. Lichidul din spaiul intergranular este mobil i poate fi deplasat, dezlocuit chiar de ctre un fluid provenit din orizonturile ce urmeaz a fi isolate prin cimentare. Dezlocuirea poate fi total sau parial. i dac mai adugm, la toate acestea, complexele fenomene ale exotermiei pastei de ciment, ne dm seama de ce permeabilitatea mare a pietrei de ciment rmne nc o problem n calea realizrii unor cimentri sigure i eficiente.

n al doilea rnd neetaneitile pot s apar i la peretele exterior al burlanului sau la roc din pricina decolmatrii acestor suprafee. n urma operaiei de cimentare, dup trecerea timpului de prizare, interstiiile rmase necimentate, fie la peretele exterior al burlanului, fie la peretele sondei, pot constitui o cale de comunicaie ntre dou strate gazeifere cu presiuni diferite. Aceste imprefeciuni de cimentare explic parial neconcordana rezultatelor obinute n urma studiilor de cercetare a sondelor i dificultile care apar n corelrile acestor rezultate cu datele obinute din alte determinri.

naintea operaiei de cimentare se execut determinrile de laborator pentru lotul de ciment care se va utilize la operaie. Aceste determinri se refer att la past, ct i la piatra de ciment. n primul caz se vor determina: filtraia, densitatea, fluiditatea, fineea de mcinare a cimentului, timpii de prizare i limitele de pompabilitate ale pastei. Pentru piatra de ciment se realizeaz, n primul rnd ncercrile mecanice aferente epruvetelor obinute din pasta cimentului respectiv i anume: rezistena la traciune, rezistena la compresiune i rezistena la ncovoiere.

n cazul n care stratele care se izoleaz au presiuni mici, respectiv poroziti i permeabiliti mari, pasta de ciment va avea densiti mici i va conine aditivi de combatere a pierderilor(geluri, tufuri vulcanice, diatomite etc.). n cazul n acre se izoleaz strate cu presiuni mari, atunci i pastele de ciment vor avea densiti mari, obinute, aa cum mai aminteam, prin utilizarea unor materiale precum barita, hematita, galena, cenua de pirit etc.

Dac n intervalul ce urmeaz a fi izolat prin cimentare exist intercalaii susceptibile pierderii echilibrului fizico-chimic la contaminarea cu filtrat/de exemplu umflturi de minerale argiloase), atunci se recomand utilizarea unor paste cu filtrat redus. Acestea se pot realiza fie printr-o bun dispersie a solidelor(creterea fineii de mcinare a prafului de ciment), fie prin utilizarea unor reductori de filtrat(rinile macromoleculare).

Pentru asigurarea timpului necesar pomprii ntregului volum de lapte de ciment se dispune att de aditivi care grbesc priza(clorura de calciu, clorura de sodiu, silicat de sodiu etc.) ct i aditivi de ntrziere a prizei(amidon, alcooli polivinilici).3. Cimentul de sond

Consolidarea sondei i izolarea stratelor sunt operaii finale ale ciclului de foraj, care dau posibilitatea s se exploateze sondele fr dificulti. Pentru consolidare se folosesc coloanele de tubaj. Acestea pstreaz o seciune circular pe ntreaga perioad de continuare a forajului sau de exploatare a sondei.

n scopul izolrii stratelor n coloana de tubare se pompeaz o soluie(past) de ciment, care mpinge fluidul de foraj aflat n sond i umple spaiul inelar pe o nlime determinat.

Procesul de transportare(refulare) a soluiei de ciment n spaiul inelar se numete proces de cimentare a sondei.

Prin cimenturi de sond se inelege o categorie foarte larg de materiale liante, fin mcinate, care pompate sub forma unor suspensii stabile n sonde, se ntresc i capt proprietile fizico-mecanice dorite: rezisten mecanic i anticoroziv, aderem la burlane i roci, impermeabilitate, rezisten.

Pentru cimentarea sondelor se folosete o soluie de ciment, un amestec de materiale liante(ciment) cu o cantitate determinat de ap, adesea cu adaosuri de reactivi chimici. Datorit faptului c se realizeaz soluii n care faza solid nu este reprezentat numai de ciment Portland(uneori nici nu se folosete), mai corect trebuie utilizat noiunea de soluie sau past de izolare(ncheiere).

Pastele de ciment trebuie s aib o densitate determinat, potrivit condiiilor din sond, s rmn pompabile i stabile o perioad suficient de timp, necesar plasrii lor n zona ce intereseaz. Dup lsarea n repaus, ele trebuie s se ntreasc ct mai repede, pentru a putea continua lucrrile n sond.

Succesul lucrrilor de cimentare este determinat de tehnica i tehnologia conducerii proceselor de simentare, calitatea lucrrilor pregtitoare i calitatea materialului de izolare. O importan deosebit o are calificarea operatorilor i personalului tehnico-ingineresc. n complexul lucrrilor de asigurare a calitii sunt importante toate verigile. Numai dup o consolidare de bun calitate i o cimentare corespunztoare este posibil exploatarea de durat a sondei fr apariia unor lucrri de reparare.

3.1. Clasificarea cimenturilor i a pastelor de ciment

Exist multiple criterii de clasificare a cimenturilor i a pastelor ce pot fi preparate. Dintre acestea le reinem pe cele mai semnificative.

I. Dup compoziia cimentului(sau a pastei)

1. Pe baz de siment Portland:

-fr adaosuri;

-cu adaosuri minerale: nisip zgur de furnal, diatomit, tufuri vulcanice, cenu de termocentral, gips, var, calcar, cret, materiale de blocare(azbest, mic), materiale de ngreuiere, silicat de sodiu, perlit, bentonit, clorur de sodiu etc.

-cu adaosuri organice: gilsonit, asphalt oxidat, latexuri, polimeri, rini.

2. Pe baz de ciment aluminos:

-fr adaosuri;

-cu adaosuri: anhidrit, gips, var, bauxit, magnezit, dolomit.

3. Fr baz de ciment:

-pe baz de zgur;

-cu var i puzzolone(diatomit, tufuri, cenu);

-cu var i nisip, var, zgur i nisip;

-pe baz de silicai solubili, cu zgur, nisip;

-pe baz de ipsos;

-cu liani organici(rini epoxidice) sau organominerali.

II.Dup temperatura de aplicare, pentru:

1.Temperaturi sczute, sub 15C;

2.Temperaturi normale, 15-50C;

3.Temperaturi moderate, 50-100C;

4.Temperaturi mari, 100-150C;

5.Temperaturi nalte, 150-250C

6.Temperaturi foarte mari, peste 250C;

7.Variaii ciclice de temperatur;

III.Dup densitatea pastei:

1.Foarte uoare, sub 1400kg/m3;

2.Uoare, 1400-1700kg/m3;

3.Normale, 1700-1950kg/m3;

4.ngreuiate, 1950-2300kg/m3;

5.Foarte grele, peste 2300kg/m3.

IV.Dup rezistena la aciunea agresiv:

1.Normale(fr condiii speciale, stabile n ap cu clorur de sodiu sau de calciu);

2.Rezistente la ape sulfatice;

3.Rezistente la ape magneziene;

4.Rezistente la substane acide(H2SO4);

5.Rezistente n medii poliminerale.

V.Dup mrimea deformaiilor de volum:

1.Fr condiii speciale

2.Fr contracie: dilatarea liniar sub 0,1%(la 3 zile, n ap);

3.Expandabile: dilatarea liniar peste0,1%.

Se ntlnesc de asemenea cimenturi hidrofobe, cimenturi cu priz rapid, normal sau ntrziat, cimenturi cu rezisten iniial ridicat, precum i paste cu filtrat redus, tixotropice, srate, pe baz de petrol sau emulsie, spumate, pentru combaterea pierderilor de circulaie etc. Cimenturile i pastele ale cror proprieti sunt reglate cu adaosuri i reactivi chimici sunt modificate(aditivate).

n general este utilizat n cea mai mare parte cimentul Portland, cu i fr adaosuri minerale.

Cimentul aluminos este mult mai scump, acesta are avantajul unei prize rapide, fiind util la combaterea pierderilor de circulaie. Formeaz pietre rezistente i impermeabile. Cu gips sau anhidrit este rezistent la aciunea apelor sulfatice i magneziene. Cu magnezit, dolomit, var nestins, piatra posed proprieti expandabile. Uneori se adaug n proporie de 20-25% la cimentul Portland.

Pastele pe baz de zgur, de var i Pozmix(puzzolane) au proprieti termorezistente utile la cimentarea sondelor.

3.2. Proprietile pastei de ciment

a. Densitatea

Densitatea pastelor de ciment variaz ntre limite destul de largi: 1100-2500kg/m3; prin spumare se obin i densiti mai sczute, sun 1000kg/m3. Densitatea se alege n raport cu presiunea fluidelor din porii formaiunilor, presiunea de fisurare i stabilitatea pereilor din zona cimentat.

Fig.3.1 Balan pentru msurarea

manual a densitii

Pentru o bun dezlocuire a noroiului se recomand ca pasta de ciment s aibp densitatea cu 100-300kg/m3 mai mare dect a noroiului; se asigur astfel i presiunea necesar asupra pereilor. Ea trebuie limitat n dreptul stratelor fisurate sau fisurabile.

Densitatea pastelor este determinat de concentraia i densitatea constituenilor. Dac se noteaz cu densitatea amestecului de substane solide i cu densitatea apei sau a soluiei de pompare, vom avea densitatea pastei:

unde reprezint raportul masic ap-solide.

Cum densitatea cimentului variaz ntre limite destul de strnse (3100-3150), densitatea pastelor fr adaosuri este determinat doar de factorul ap-ciment. Se pot prepara paste stabile i pompabile cu densitatea cuprins ntre 1750 i 1950kg/m3, corespunztoare factorului ap-ciment 0,58-0,40.

La densiti sczute pastele sunt instabile, iar la densiti mari devin prea vscoase ducnd la imposibilitatea pomparii acestora. Domeniul poate fi lrgit dac n locul apei se folosete o suspensie de bentonit, mcinate grosier ori srace n aluminai, pastele rmn nc pompabile la 2000-2050kg/m3.

Densitatea pastelor de ciment se msoar cu aceleai aparate folosite i la fluide de foraj: balane cu prghie, areometre, cilindri gradai, picnometre. La sond, se poate msura continuu, cu gamadensimetre(densimetre radioactive) montate pe conducta de pompare

Deoarece densitatea se msoar relativ uor, fie continuu, fie intermitent, controlul i meninerea ei la valoarea stabilit, cu fluctuaii de maxim 30kg/m3, constituie o garanie c s-a preparat, din cantitatea de ciment existent, volumul de past calculat, cu proprietile dorite.

Uneori se folosete i noiunea de randament, volumul de past n metri cubi, rezultat dintr-o ton de ciment. El depinde de factorul ap-ciment i poate fi dedus.

b.Stabilitatea

Pastele de ciment, fiind sisteme disperse, eterogene, manifest o tendin de separare a fazelor datorit diferenei de densitate; particulele solide coboar i, ca rezultat apa filtreaz n sus. Aceast instabilitate agregativ se accentueaz cnd concentraia suspensiei este redus(factorul ap-ciment mare), cnd cimentul este mcinat grosier sau cnd sunt prezente particule solide inerte(nisip, barit). Un rol important l joac i hidrofilitatea particulelor solide. Adaosul de substane coloidale(bentonit, diveri polimeri) mbuntete stabilitatea. n schimb, numeroi fluidizani o nrutesc.

Coloana de past instabil i modific proprietile pe vertical, uneori ntre limite inacceptabile. De la talp spre suprafa, densitatea pastei i rezistena pietrei se reduc, iar timpul de priz i permeabilitatea pietrei se mresc. Se pot forma canale verticale i chiar pungi pline de ap, posibile ci de ptrundere i migrare a gazelor din strate. Fenomenul este mai periculos n sondele nclinate: lng peretele superior al gurii de sond se formeaz un canal continuu plin cu ap.

Stabilitatea pastelor de ciment se evalueaz, n laborator, prin volumul de ap curat separat la suprafaa probei lsat n repaus intr-un cilindru de 250cm3. Se consider stabile pastele care separ mai puin de 1-2% ap n 2 ore. La cimentarea sondelor de gaze i la cimentri sub presiune se recomand chiar o separare zero.

Totui, n paste aparent stabile, cu o cantitate de ap separat sczut pot avea loc depuneri de particule grosiere, formnd dopuri cu mobilitate redus, ceea ce pericliteaz continuarea pomprii dup o ntrerupere a circulaiei.

c.Capacitatea de filtrare

Datorit diferenei de presiune dintre past i porii formaiunilor adiacente, o parte a apei libere din past filtreaz n porii rocilor.

Viteza de filtrare crete cu permeabilitatea mediului filtrant, cu diferena de presiune i cu factorul ap-solide; ea scade cu fineea de mcinare a particulelor solide. n prima faz de hidratare, viteza de filtrare crete pe msur ce reaciile de hidratare se intensific, fenomenul se poate inversa.

n prezena turtei de colmatare a noroiului, viteza de filtrare a pastei este relativ redus, fiind guvernat de grosimea i permeabilitatea turtei de noroi, dar n zone decolmatate, curate de turt, viteza de filtrare a pastelor de ciment curat este apreciabil, datorit mobilitii mari a apei libere.

Pe msur ce procesul de hidratare nainteaz, viteza de filtrare se reduce. Apa filtrat micoreaz permeabilitatea stratelor productive prin adsorbia ei pe pereii porilor, hidratarea i umflarea particulelor argiloase existente n pori.

Cnd pasta pierde o parte din apa liber, presiunea din porii ei se reduce, favoriznd ptrunderea gazelor din strate i formarea microcanalelor de migrare spre suprafa. Dac filtrarea este foarte rapid, pasta devine vscoas, presiunea din spaiul inelar i cea de pompare cresc periculos, ajungmdu-se pn la fisurarea formaiunilor mai slabe sau la imposibilitatea pomprii.

n laborator, capacitatea de filtrare este evaluat la o diferen de presiune standard-7bar, n condiii ambiante, printr-o hrtie de filtru(presa filtru standard), sau 70bar, dac pasta a fost presutizat i nclzit ntr-un consistomentru. Extrapolnd din ciment curat apa liber foarte repede, n cteva minute. Extrapolnd la 30 minute, volumul de filtrat API este de ordinul 600-1000cm3.

Relaia de extrapolare este:

.

Unde este volumul estimate la 30 minute, iar este volumul msurat dup timpul t(sfritul filtrrii).

Pentru a evita deshidratarea pastei cnd colmatajul este curat i a asigura o bun aderen cu rocile din jur, precum i reuita cimentrilor sub presiune, volumul de filtrat API trebuie s fie 50-100cm3. Cnd exist pericol de gazeificare, el se reduce la 20-25cm3 i chiar mai puin, dac stratele de gaze au presiuni anormal de mari. n acest scop, se adaug substane care imobilizeaz apa liber-bentonit prehidratat sau diveri polimeri.

d.Proprietile reologice

Pastele de ciment sunt fluide nenewtoniene, deoarece, n afara frecrilor interne, intervin i interaciuni de natur fizic sau fizico-chimic ntre particulele solide. Pastele cu ciment curat, cele cu adaosuri de barit, nisip, zgur, cenu, pot fi caracterizate reologic cu modelul Bingham. Pastele tratate cu reactivi chimici sau cu polimeri sunt descrise mai degrab de modelul Ostwald-de Waele. Valorile parametrilor reologici depind de compoziia mineralogic, fineea de mcinare i chiar de vechimea cimentului, de temperatur i presiune, natura i concentraia adaosurilor i reactivilor, durata i gradul de agitare, modul de preparare a pastei etc.

Vscozitatea scade cu factorul ap-ciment i crete cu suprafaa specific a particulelor de ciment.

Temperatura are un efect complex-reduce vscozitatea fazei apoase, dar accelereaz procesele de hidratare a compuilor mineralogici, de formare a structurilor de gel i de cristalizare; n ansamblu, vscozitatea crete, ndeosebi pe seama tensiunii dinamice de forfecare.

Presiunea mrete, n general, vscozitatea. Efectul este mai pronunat la pastele cu zgur i mai puin sesizabil la cele bentonitice.

Efectul diverselor adaosuri sau reactivi este determinat de natura, concentraia i gradul lor de activitate, de factorul ap-ciment. Reinem doar c bentonita prehidratat, majoritatea acceleratorilor de priz i a antifiltranilor mresc vscozitatea pastelor, iar reductorii de priz reduc, de regul vscozitatea i nrutesc uneori stabilitatea. La concentraii mai mari, clorura de sodiu reduce vscozitatea aparent, pe seama micorrii tensiunii dinamice de forfecare.

Fig.3.2 Autoclav

Proprietile reologice ale pastelor de ciment se cerceteaz cu aceleai tipuri de vscozimetre folosite i la fluidele de foraj: vscozimetre rotative cu cilindri coaxiali i vscozimetre capilare, n condiii ambiante ori care le simuleaz pe ce le din sond.

Se subliniz din nou c parametrii reologici ai pastelor de ciment, pentru o compoziie dat, pot varia ntre limite foarte largi dac loturile de ciment, adaosuri i aditivi nu sunt identice, iar condiiile de preparare, agitare, temperatur, presiune i chiar de msurare nu sunt aceleai.

Pentru stabilirea reetelor i evaluarea timpului ct pastele de ciment se menin pompabile se utilizeaz unele caracteristici convenionale, mai oor de determinat.

Fluiditatea iniial a pastelor de ciment, imediat dup preparare, se apreciaz foarte operativ msurnd diametrul mediu al suprafeei de mprtiere, pe o sticl orizontal, a apstei coninute intr-un troncon standard, la ridicarea lui brusc. Diametru lrespectiv poart numele de rspndire. O rspndire de 170-220mm este considerat satisfctoare, coninutul tronconului fiind de 120cm3.O vscozitate convenional, numit consisten, se determin n mod continuu cu un aparat specific numit consistometru. El simuleaz condiiile de distrugere a structurii din timpul pomprii n sond.

e.Timpul de pompabilitate

Prin testarea pastelor de ciment n consistometre se urmrete n primul rnd, s se stabileasc perioada de timp n care ele rmn nc fluide, pompabile-pentru a programa operaia de cimentare. Durata de timp scurs de la aplicarea regimului de presiune i temperatur pn cnd consistena atinge 100UEC se numete timp de ngroare-dup normele API. Dar se consider c pastele de ciment nu mai sunt pompabile peste 30-40UEC, ceea ce definete o limit sau un timp de pompabilitate. Deoarece, dup incheierea perioadei stabilizate, consistena crete foarte repede, cele dou limite sunt destul de apropiate, n plus testarea se oprete la o consisten mai mic de 100UEC(uneori la 70UEC), mai ales la temperaturi mari, i pentru a aevita prizarea cimentului n consistometru. Eventual, timpul de ngroare se extrapoleaz.

Timpul de pompabilitate este determinat de viteza de hidratare a componenilor minerali din ciment; scade cu fineea de mcinare, cu temperatura i presiunea, crete cu factorul ap-ciment. ntreruperea agitrii i variaiile de presiune, ndeosebi spre sfritul perioadei de testare, pot reduce apreciabil timpul de pompabilitate, fr ca prizarea cimentului s fie modificat simitor; pasta capt doar rezistene de gel exagerat de mari.

Timpul de pompabilitate poate fi reglat cu acceleratori sau ntrzietori de priz. Fluidizanii evit nvicoarea prematur a pastei, care indic o limit de pompabilitate fals.

Pentru a simula variaiile de temperatur i de presiune din timpul unei operaii de cimentare s-au ntocmit tabele pe trepte de adncime i sonde tipice-coloanelor, dopuri sau cimentri sub presiune i cimentarea linerelor.

f.nceputul i sfritul de priz

S-a artat c la un anumit grad de hidratare a cimentului, coeziunea dintre noii compui formai atinge o valoare la care pasta i pierde fluiditatea i ncepe s se comporte ca un corp solid. Fenomenul este cunoscut sub numele de priz. nainte de prizare, pasta posed o structur pseudotixotropic.n cazul distrugerii, legturile se restabilesc. Dup prizare, structurile de cristalizare distruse nu se mai refac.

Momentul de apariie i viteza procesului de prizare sunt puse n eviden de prin dou mrimi convenionale-nceputul i sfritul prizei. Ele semnific duratele de timp din momentul preparrii pn cnd pasta atinge anumite rezistene.

Acestea se determin cu acul Vicat-un ac culisant cu diamtrul de 1.1mm i lungimea de 50mm, pe care se afl o mas de 300g. nceputul prizei reprezint momentul cnd acul nu mai ptrunde complet printr-o mas de past cu grosimea 40mm, aflat ntr-o form tronconic, rmnnd 1-2mm fa de fundul probei. Sfritul prizei constituie momentul cnd acul nu mai ptrunde dect maxim 1mm.

Testul este specific cimenturilor de construcie, lsate n repaus dup turnare, i mai puin celor de sond(unele norme, printre care i cele API, nu l recomand); se practic totui pentru c necesit mijloace mult mai simple dect un consistometru. Dei nceperea prizei se datorete acelorai mijloace mult mai simple dect un consistometru. Dei nceperea prizei se datorete acelorai fenomene ca i nvicoarea rapid, datorit condiiilor diferite n care se afl pasta, timpul de pompabilitate nu este egal, i adesea, nici nu se coreleaz convingtor cu timpul de ncepere a prizei. n majoritatea cazurilor, agitarea accelereaz hidratarea i timpul de pompabilitate este mai mic dect timpul de ncepere a prizei, n aceleai condiii de presiune i temperatur, dar diferena dintre ele variaz de la cteva minute la cteva ore.

Timpul de priz sunt influenai de aceiai ca i timpul de pompabilitate i n acelai sens. Ei scad cu suprafaa specific a cimentului, cu coninuturile de aluminat i silicat tricalcic, cu presiunea i temperatura; cresc cu factorul ap-ciment. Pot fi reglai cu acceleratori sau ntrzietori de priz.

3.3. Proprietile pietrei de ciment

g.Rezistena mecanic

Dup plasarea pastei de ciment n spaiul inelar, are loc transformarea acesteia n piatr de ciment, prizarea avnd loc n condiiile unei compresiuni triaxiale, la temperatura i presiunea din sond. Dup 12-24ore, rezistena pietrei ajunge la valori satisfctoare pentru majoritatea solicitrilor la care va fi supus.

Fig. 3.3 Prob supus testului de rezisten la compresiune

Dac se leag valoarea rezistenei pietrei de fora necesar meninerii n suspensie a coloanei(de consolidarea n teren), este suficient ca piatra s aib o rezisten la traciune de 0,1-0,2N/mm2. Dac inelul de ciment format n jurul coloanei de burlane este uniform, continuu i rezistent, el mrete simitor presiunea de turtire a burlanelor subiri i cu limit de scurgere sczut. n schimb, neuniformitatea inelului, discontinuitile longitudinale sau radiale fac inutil prezena unei pietre de ciment cu rezisten mecanic ridicat.

Valori mai mari ale rezistenei pietrei de ciment sunt necesare n momentul frezrii dopului de ciment din coloan 10-15N/mm2 sau la perforarea coloanei, cnd se recomand o rezisten la compresiune de 3-4N/mm2. Pentru obinerea acestor valori se pot folosi acceleratori de priz(clorura de calciu, de sodiu etc.), care sunt i acceleratori de ntrire(dup 24ore, piatra ajunge la rezistena necesar).

Deoarece solicitrile din sond nu reclam valori prea mari ale rezistenei mecanice,(s-au folosit de multe ori, cu rezultate bune, cimenturicu adaosuri ieftine i uoare care au o rezisten mecanic sczut), dar nu n zona iului sau a perforaturilor.

Influena cea mai complex o are ns temperatura. Aceasta accelereaz procesele de hidratare-hidroliz i de structurare i rezistena crete, dar n acelai timp apar hidrocompui instabili termodinamic, care prin modificrile pe care le suport(dizolvri, recristalizri structur chimic), conduc la o scdere n timp a rezistenei pietrei de ciment. Cu ct hidratarea este mai intens(factor ap-ciment mai mare i temperaturi mai ridicate), cu att mai repede ncepe s scad durabilitatea pietrei de ciment.

Acest fenomen de scdere n timp a rezistenei mecanice cu temperatura este ndeobte cunoscut sub numele de retrogresie. La temperaturi moderate de 60-70C, retrogresia poate s apar dup 3-6luni, mai repede la cimenturile bogate n silicat tricalcic, iar la temperaturi de peste 100C, poate ncepe chiar dup cteva zile.

Acceleratorii de priz mresc rezistena iniial a pietrei, dar cea final se poate reduce. Din punc de vedere al rezistenei pietrei de ciment, pentru reuita operaiei de cimentare este necesar ca rezistena mecanic s creasc n timp(sau, n cel mai ru caz, s rmn constant pe toat perioada de exploatare a sondei).

h.Permeabilitatea

Aa cum am mai spus, principalul obiectiv urmrit adesea prin cimentare este etanarea spaiului inelar cimentat. Acest lucru este posibil numia dac permeabilitatea pietrei de ciment este foarte mic, eventual nul.

Permeabilitatea este influenat n general de aceeai factori care modific n sens negativ rezistena mecanic a pietrei de ciment. Astfel, permeabilitatea ietrei crete cu factorul ap-ciment dar se reduce n timp, cel puin n prima perioad i la temperaturi moderate. Pn la 70-80C, permeabilitatea scade, dar la temperaturi mai mari valorile ei cresc semnificativ. Dac n piatra de ciment s-au format i fisuri, permeabilitatea crete cu cteva ordine de mrime.

Msurarea permeabilitii pietrei de ciment este o operaie dificil, deoarece mrimea porilor se modific n timp, apa din pori este legat n mare parte electrostatic, iar gradul n care este antrenat depinde de gradientul presiunii de msurare.

i.Constana volumului pietrei de ciment

Volumul aparent al pietrei de ciment nu rmne constant. Dac se produce o micorare de volum exist riscul slbirii aderenei pietrei de ciment la teren i coloan, sau apariiei de fisuri n masa pietrei, izolarea spaiului inelar fiind compromis. Dac se produce o mrire de volum, care ns nu are loc cu apariia de fisuri n masa pietrei de ciment, etanarea se poate mbunti.

j.Rezistena la coroziune

Pasta i piatra de ciment sunt n contact cu diferii ageni agresivi nc din faza cnd mineralele au o activitate chimic intens i n decursul ntregii perioade de lucru n sond. Apele subterane mineralizate, gazele acide, rocile saline i uneori chiar apa de preparare sunt ageni care pot aciona asupra pietrei de ciment, provocnd pierderea etaneitii spaiului cimentat.

Dac la nceput cei mai muli dintre agenii agresivi accelereaz ntrirea, mresc rezistena mecanic i chiar micoreaz permeabilitatea, n timp au loc procese complexe de dizolvare i splare a constituenilor liani, permeabilitatea pietrei crete, iar rezistena mecanic scade treptat, ajungndu-se chiar la distrugerea complet a pietrei de ciment.

k.Aderena la teren i la coloana de burlane

n timpul prizrii i ntririi pastei de ciment se formeaz legturi intercristaline ntre ciment-roc i ciment-metal. Aceast aderen se poate evalua prin dou metode:

-mecanic, prin mrimea tensiunii de forfecare necesare lunecrii pietrei de ciment fa de burlane sau roci

-hidraulic, prin valoarea la care piatra de ciment i pierde etaneitatea fa de burlane sau roci.

Aderena mecanic se coreleaz cu rezistena pietrei de ciment. Pelicula de noroi i turta de colmatare micoreaz aderena pietrei de ciment mai ales la fluidele pe baz de produse petroliere. Acest lucru se poate evita dac se acoper burlanele cu rin i nisip.

Aderena hidraulic, msurat cu ap sau azot, nu se coreleaz cu rezistena pietrei, dar depinde n mare msur de natura suprafeelor.

3.4. Aditivi i materiale de adaos

Trebuie plecat de la premisa c prepararea pastelor de ciment ntr-o gam de densiti destul de larg(1100-2500kg/m3), nu poate fi fcut n mod practic, numai prin modificarea factorului ap-ciment.

Aditivii sunt substane care se introduc la preapararea pastei de ciment n cantiti mici, pentru a regla unele proprieti ale acesteia sau ale pietrei de ciment. Aceste substane se adaug, de obicei n apa de preparare a pastei i se exprim n concentraii masice fa de cantitatea de ciment praf.

Adaosurile sunt materiale care se folosesc n cantiti mai mari, din diferite motive(economice, de reglare a densitii sau proprietilor pietrei de ciment etc.) i care se amestec cu praful de ciment nainte de prepararea pastei. Ele se exprim n raport cu masa cimentului praf sau dac sunt mai multe adaosuri, n raport cu masa amestecului total.

Acceleratorii de priz

n practica cimentrii coloanelor se impune accelerarea prizrii pastelor de ciment n urmtoarele condiii: la cimentarea coloanelor de ancoraj i a celorlalte coloane la adncimi mici, cu temperaturi la talp sczute; la formarea dopurilor de ciment i la combaterea pierderilor de circulaie, n zonele fisurate sau de mare permeabilitate, situate la adncimi relativ reduse; la cimentarea sub presiune pe intervale situate la adncimi sczute i temperaturi mici; la folosirea pastelor cu densitate redus(cu coninut ridicat de adaos inert i factor ap-ciment mare).

Viteza de prizare a pastelor de ciment este n strns legtur cu procesele de hidratare-hidroliz a mineralelor din ciment i cu viteza de formare a structurilor rezistente n masa pastelor. Cimenturile mai bogate n minerale, cu vitez mare de hidratare, vor avea timpi de prizare mai mici, iar la coninuturi identice de minerale aluminoase vor priza mai rapid cimenturile cu un coninut mai mare de silicat tricalcic C3S. Pentru acelai tip de ciment, mrirea feei de mcinare va accelera prizarea, deoarece crete suprafaa specific de reacie cu apa.

Ca acceleratori de priz se folosesc o serie de aditivi anorganici, Solubili n ap, care modific viteza de dizolvare a mineralelor din ciment i viteza de coagulare i cristalizare a compuilor hidratai.

Clorura de calciu(CaCl2) reprezint aditivul cel mai des folosit, doza optim fiind de 2-4%(la temperaturi mai joas se folosesc concentraii mai mari; la temperaturi moderate are i rol de accelerator de ntrire).

Clorura de sodiu(NaCl) are o eficien mai redus dect clorura de calciu, dar este mai ieftin dect aceasta. Acioneaz ca accelerator numai n concentraii mici. Folosit n doze mai mari de 18%, clorura de sodiu are efect de ntrzietor de priz.

Carbonaii de potasiu i sodiu(K2CO3 i Na2CO3) se folosesc frecvent ca acceleratori, n doze optime de pn la 3%. La concentraii mai mari se obine o prizare rapid, dar scade mult rezistena mecanic a pietrei.

Silicatul de sodiu(Na2SiO3) este unul dintre cei mai eficieni acceleratori de priz. Este ns mai scump dect clorura de calciu. La temperaturi moderate pastele preparate cu densitate mic(de exemplu, cele pe baz de diatomit au un coninut mare de ap i un antifiltrant, care acioneaz ca ntrzietor) i prizeaz destul de greu, dar prin folosirea silicatului de sodiu se realizeaz timpi de priz acceptabili.

ntrzietori de priz:

ntrzietori de priz anorganici

(CaSO4 2H2O), ca ntrzietor de priz, are un loc aparte, deoarece se introduce cu obligativitate n compoziia cimentului, odat cu mcinarea clincherului. Doza optim de gips care asigur efectul dorit de ntrziere a prizei i meninerea fluiditii pastei la valori acceptabile, o perioad ct mai ndelungat, este n strns legtur cu compoziia chimico-mineralogic a cimentului i fineea de mcinare, fiind reglementat de standarde pentru fiecare tip de ciment. Depirea dozei optime de gips poate duce la apariia efectului coagulant al ionului Ca2+ i accelerarea prizrii.

Acidul fosforic i srurile lor au un puternic efect de ntrzietori de priz, ca urmare a formrii srurilor corespunztoare de calciu, care sunt insolubile.

Clorura de sodiu(NaCl), n procente mai mari de 18%, exercit o aciune ntrzietoare sensibil. Astfel, la 20C, timpul de nceput de priz se dubleaz pentru o past preaparat din ap saturat n sare, iar la 60C se mrete de 1,5 ori. La folosirea srii ca ntrzietor de priz s-au constatat cteva efecte secundare, cum sunt: o uoar dilatare a pietrei de ciment, un puternic efect fluidizant al pastei, o uoar dilatare a pietrei de ciment, un puternic efect fluidizant al pastei, o uoar mrire a densitii pastei(cu aproximativ 0,12 g/cm3, fa de pasta preparat cu ap dulce).

ntrzietori de priz organici

Lignotartrinul concentrat(LC) este un lichid brun-nchis, solubil n ap i n soluii de NaCl cu densitatea de 1220kg/m3 i pH=9-10. Se folosete n concentraii optime de 1,5-3,5cm3/100g ciment, dizolvat n apa de preparare a pastei, la temperaturi de pn la 150-160C.

Lignosulfonatul de amoniu(LSA) apare sub form de praf brun-rocat; se utilizeaz n doze optime de 0,25-5,0% fa de cimentul praf, n domeniul de temperaturi de 100-150C i are ca efect secundar fluidizarea pastei de ciment.

Lignoboritul se obine din produi lignosulfonici, acidul boric i srurile lui: se livreaz n stare lichid i este folosit pentru reglarea timpului de pompabilitate a pastelor de ciment n domeniul 100-150C.

Acidul tartric este cunoscut ca fiind unul dintre cei mai activi ntrzietori de priz ai pastelor de ciment, care are eficien sporit la temperaturi cuprinse ntre 100-200C. Se gsete n stare liber sau sub form de sruri n diverse plante; se livreaz sub forma unui praf alb, iar concentraia optim fa de ciment este de 0,05-1,0%.

Fluidizani

n timpul operaiei de cimentare curgerea pastei n regim turbulent prin spaiul inelar la debite moderate duce la o mai bun dezlocuire a noroiului i cderi de presiuni reduse.

Fluidizanii pentru pastele de ciment sunt aditivii cu efect mixt, ntrzietori-fluidizani, i sunt de regul substane tensioactive. n faza iniial, fluidizarea pastei se realizeaz prin aciunea dispersant a aditivului. Acesta se adsoarbe pe suprafaa granulelor de ciment i ulterior, a hidroproduilor, prevenindu-se formarea unor structuri coagulante, fr s afecteze sensibil procesele de hidratare.

Fig.3.4 Diferen de curgere n cazul utilizrii fluidizanilor

Ca fluidizani pentru pastele de ciment se utilizeaz n spe urmtoarele produse:Lignosulfonaii de calciu, sodiu, magneziu, amoniu, lignotartrinul concentrat(LC), boraxul, CMC-ul, poliacrilaii etc. Termostabilitatea unora dintre aceti fluidizani poate fi ridicat cu ajutorul dicromailor de sodiu sau potasiu. De exemplu, firma Halliburton prepar o serie de fluidizani organici, foarte eficieni, cunoscui sub denumirile comerciale CFR-1 i CFR-2.

CFR-1 este un reactiv complex, fluidizant i ntrzietor de priz, folosit la temperaturi mai mari de 100C. n doze de 0,5% reduce la jumtate viteza necesar obinerii unui regim turbulent de dezlocuire n spaiul inelar.

CFR-2 este folosit att pentru pastele uoare ct i pentru cele cu densitate mare; are eficien sporit ca fluidizant n domeniul temperaturilor de 16-150C i se folosete n doze de maxim 0,75%.

Antifiltranii

Pentru a regla viteza de filtrare a pastelor de ciment se folosesc adaosuri similare cu cele folosite la fluidele de foraj, precum i o serie de substane macromoleculare, puternic hidrofile.

Adaosurile de bentonit au fost primii antifiltrani ai pastelor de ciment. Prin formarea unei turte de colmatare pe pereii permeabili ai sondei se reduce cantitatea de ap liber din pasta de ciment. Determinrile experimentale au artat c un adaos de 12% bentonit reduce de aproximativ trei ori volumul de filtrat al pastei, iar la un adaos de 25% bentonit, filtratul scade sub 100cm3.

Amidonul modificat, livrat sub forma unui praf alb-glbui, este folosit la temperaturi de 100-150C, n procente de 0,2-1,5%, i reduce filtratul pn la volumul comparabil cu cel al noroaielor de foraj(aproximativ 15cm3).

Derivaii celulozici reprezint categoria de antifiltrani cei mai eficieni i mai des utilizai pentru pastele de ciment. Dintre acetia: metilceluloza MC se folosete n concentraii de 0,1-0,8% tot la temperaturi mai mici de 100C; hidroxietilceluloza HEC n concentraii de 0,1-0,8%, tot la temperaturi sub 100C; carboximetilceluloza CMC n concentraii de 0,5-2,0% n domeniul de temperaturi sub 75-160C; carboximetilhidroxietilceluloza CMHEC n concentraii de 0,1-0,7% pn la 130C, avnd ca influene secundare creterea vscozitii pastelor, creterea timpului de pompabilitate(de nvscoare) i reducerea rezistenei iniiale a pietrei de ciment(n fapt, este cel mai eficient antifiltrant).

Polimerii sintetici hidrofili sunt substane cu greutate molecular mare, care se folosesc pentru reducerea filtrrii pastelor de ciment, mai ales n domeniul temperaturilor ridicate de pn la 250-300C. n aceast categorie intr poliacrilamida i polimerii acrilici care, n cantiti de 1-1,5%, n combinaie cu bentonita i lignosulfonatul de calciu, reduc filtratul foarte mult i nu influeneaz timpul de nvscoare.

Antispumani

Pastele de ciment obinuite nu spumeaz. n schimb, cele preparate pe baz de sare spumeaz intens n faza de preaparare, ceea ce ngreuneaz controlul proprietilor i pomparea lor.

Pentru spargerea spumei se folosesc antispumani, preparai din diveri alcooli grai, poliamide, spunuri naftenice, stearat de aluminiu, concentraiile uzuale fiind de 0,2-1,0%.

Adaosuri hidraulice

Nu exist n literatura de specialitate o clasificare riguroas a acestor materiale. Totui n linii mari se disting dou categorii de adaosuri hidraulice, unele naturale iar altele artificiale. Cele naturale, la rndu-le pot fi de natur vulcanic(tufurile vulcanice), sedimentar(diatomita) sau mineral(silicea hidratat, argilele coloidale), iar cele artificiale includ cenua de termocentral, argilele i bauxitele calcinate.

Tufurile vulcanice reprezint categoria cea mai cunoscut de adaosuri hidraulice numite i puzzolane, care s-au format din lav vulcanic rcit brusc, cu o structur sticloas, necristalin.

Diatomita este o roc silicioas, format prin depunerea scheletelor de diatomee, activitatea hidraulic fiind conferit att de dioxidul de siliciu amorfm ct i de suprafaa specific foarte mare.

Cenua de termocentral este un reziduu provenit de la arderea crbunilor sau a isturilor bituminoase. n camerele de ardere, sterilul, foarte fin mcinat, sufer un proces de calcinare i antrenat de gazele de ardere, este reinut pe filtrele de construcie special sau n perdele de ap. Compoziia chimic principal este dat de: (40-50)%SiO2; (20-30)% Al2O3, (8-15)% Fe2O3, (3-13)% CaO, dar conine i alte substane, n cantiti reduse precum materiale crbunoase sau bituminoase nearse, alcalii limitate la 1,5% SO3 limitat la 5% etc.

La folosirea acestor adaosuri hidraulice este necesar s se stabileasc, prin ncercri de laborator doza optim de ciment-adaos.3.5.Tipuri de paste de ciment

Paste de ciment uoare

n mod frecvent, stratele ce urmeaz a fi izolate sunt foarte poroase, cavernoase, fisurate sau fisurabile. Pentru a evita pierderile de circulaie i alte dificulti, ele sunt traversate cu noroaie uoare. Prepararea unor paste cu densitate mai mic nu este comod. Cu unele excepii i numai la temperaturi ridicate, rezistena pietrei formate se reduce(uneori i permeabilitatea)

n prezent se folosesc urmtoarele metode de uurare a pastelor de ciment: creterea factorului ap-ciment, simultan cu adugarea unor substane stabilizatoare; nlocuirea parial a cimentului cu materiale mult mai uoare, cu densitate cuprins ntre 1000 i 1500kg/m3; spumarea unor substane care nglobeaz n structura lor o mare cantitate de aer sau azot; spumarea pastelor, cu aer sau azot; nlocuirea cimentului cu ali liani mai uori(var, gips, zgur). Valorile densitii unor substane folosite n mod curent la operaiile de cimentare a sondelor sunt redate n urmtorul tabel.

Tabelul 3.1. Densitatea unor materiale folosite la cimentareSubstanaDensitatea

-Kg/m3

1.Substane liante de baz

Ciment portland

Ciment aluminos

Zgur de furnal

Ghips semihidraulic

2.Adaosuri minerale uoareBentonit

DiatomitCenu de termocentral

Roci vulcanice

Calcar, cret

3.Adaosuri foarte uoareGilsonit

Perlit expandat

Bitum, asfalt

Gudroane din crbune

4.Adaosuri greleBarit

Hematit

3100-3200

3230

2700-3200

2200-2400

2300-2600

2100-2500

1700-2400

2200-2700

2200-2800

1050-1070

100-200

1000-1300

1200-1300

3900-4400

5000-5300

Pastele de ciment cu densitatea de 1500-1700kg/m3 se prepar relativ uor. Pentru a se ajunge la valori de 1400-1500kg/m3, este nevoie de substane cu densitatea mai mic de 1400kg/m3.

Paste cu adaosuri stabilizatoare

Unele substane macromoleculare, adugate n concentraii reduse, imobilizeaz o parte din ap de preparare, mresc stabilitatea i reduc viteza de filtrate. Mult mai eficiente sunt unele substane minerale, naturale sau artificiale, precum bentonita, silicatul de sodiu, diatomita, tufurile metamorfozate, cenua de termocentral.

Bentonita se adaug n concentraii de pn la 15-20% fa de cimentul praf, astfel c densitatea pastei de ciment scade pn la 1500kg/m3. Pastele de bentonit se mai numesc i gel-cimenturi. Concentraiile mari de bentonit se folosesc i la combaterea pierderilor de circulaie.

Bentonita se hidrateaz n apa de preparare. Prin dispersare se formeaz o structur de gel n care sunt suspendate particulele de ciment. Dac factorul ap-ciment nu este mrit corescpunztor, consistena crete considerabil, iar timpul de pompabilitate se reduce.

Tabelul 3.2. Necesarul de ap pentru prepararea pastelor de ciment cu diverse adaosuri de aditiviSubstanaNecesarul de ap(m3/t)

Ciment

Zgur de furnal

Bentonit

Cenu de termocentral

Barit

Perlit

Gilsonit

Nisip

Fin de silice

Diatomit

Silicat de sodiu

Clorur de sodiu

Clorur de calciu0,38-0,68

0,20-0,25

2-10

0,70-0,80

0,20-0,26

3-4

0,25

0

0,25-0,50

1,3-6,4

30

0

0

La temperaturi mari, n prezena electroliilor, la combaterea pierderilor de circulaie, mai eficient dect bentonita este attapulgitul. Rezultate similare se obin i cu ajutorul silicatului de sodiu anhidru, unde sunt necesare ns concentraii mai reduse dect n cazul bentonitei.

Paste cu adaosuri uoare

O oarecare aplicabilitate o are gilsonitul-o hidrocarbur solid natural, cu densitatea de 1050kg/m3. El este casant i poate fi mcinat la granulaia dorit. Piatra de ciment cu gilsonit este rezistent la aciunea coroziv a srurilor, alcalilor, i acizilor. Concentraiile recomandabile sunt de circa 25% fa de ciment, densitatea pastelor scznd la 1500-1550kg/m3.

Pentru a preveni plutirea gilsonitului, n apa de preparare se prehidrateaz aproximativ 4% bentonit; se obin i densiti mai coborte pe seama surplusului de ap cerut de bentonit, dar i rezistena mecanic scade drastic.

Gilsonitul nu afecteaz sensibil timpul de pompabilitate. Rezultate asemntoare se obin cu asfaltul de rafinrie oxidat. Un adaos relativ uor, care reclam i cantiti sporite de ap, este cenua de termocentral. Cea disponibil n Romnia are densitatea de 1700-1800kg/m3 i necesit 0,70-0,75 cm3/g de ap. Se folosete n proporie masic cenu-ciment 35:65, la care se obin paste cu densitatea aproximativ de 1600kg/m3.

La temperaturi moderate, de pn la 60C, adaosul de cenu reduce sensibil rezistena mecanic i prelungete timpul de priz i timpul de pompabilitate.

La temperaturi mai mari, substanele silicioase devin active iar rezistena mecanic se mbuntete; peste 120C, ea devine chiar mai mare dect a pietrei preparate din cimentul curat.

Paste cu substane care nglobeaz gaze

Una dintre substanele folosite pentru aceste tipuri de paste este perlita, natural sau expandat. Aceasta este o roc vulcanic silicioas poroas, cu valori ale densitii variind ntre 2200 i 2500kg/m3. Prin mcinare, nclzire la 1000-1200C i rcire, se formeaz nite perle goale n interior, cu densitatea aparent de 1000-2000kg/m3.

Densitatea pastelor se reduce att pe seama densitii perlitei, ct i datorit necesarului sporit de ap(3-4cm3/g). n condiii atmosferice se pot prepara paste cu densitatea de pn la 1300kg/m3, cu rezistene satisfctoare, dar la valoarea presiunilor din sond, perlele se sparg, pasta se comprim i densitatea ei crete, simultan crescnd i consistena pastei.

Pentru a preveni plutirea perlitei expandate, se adaug 2-6% bentonit prehidratat. Pastele cu perlit se folosesc mai ales pentru combaterea pierderilor de circulaie, precum i n condiii geotermale

Tabelul 3.3. Past de ciment cu perlitAdaos de

bentonitFactorul

ap-cimentDensitatea pasteiRandamentul cimentului

Atmosfer207barAtmosfer207bar

%-Kg/m3Kg/m3m3/tm3/t

0

2

40,701

0,808

0,9231490

1450

14301670

1610

15601,22

1,33

1,461,08

1,20

1,33

Paste de ciment spumante

Pastele de ciment spumante se folosesc pentru izolarea rocilor permeabile, cu gradieni de presiune extrem de sczui sau cu preasiunea de strat sub cea normal. Se folosesc la cimentarea coloanelor de suprafa i a coloanelor conductor(la forajul marin), la combaterea pierderilor de circulaie, la cimentri secundare etc.

S-au preparat paste cu densiti de 700-1300kg/m3. Vscozitatea lor este mai mare dect a pastelor din care sunt preparate.

Tabelul 3.4. Rezistena la compresiune dezvoltat de cimenturile spumateDensitatea

pasteiTemperatura, C

183865

12h24h72h12h24h72h12h24h72h

Kg/m3N/mm2

720

960

1200

1320

15000,28

0,83

1,38

-

-0,56

1,80

3,24

-

-0,96

1,05

7,40

-

-0,90

1,79

4,28

3,45

4,501,17

2,90

6,13

6,55

8,601,52

3,94

7,60

8,65

12,401,03

2,14

2,82

-

7,501,10

2,14

6,20

-

11,401,24

3,86

8,75

-

16,90

Ca urmare a porozitii mari, piatra de ciment are proprieti bune de izolare termic i anticorozive. De aceea, pastele spumante se utilizeaz la sondele de combustie subteran i de injecie a aburului, la temperaturi de pn la 300C.

Piatra are i o bun aderen; pe msur ce se hidrateaz, presiunea din pori scade, gazul expandeaz i piatra menine contactul cu peretele i cu burlanele.

Paste de ciment ngreuiate

Pastele de ciment ngreuiate sunt necesare la cimentarea stratelor cu presiune ridicat sau instabile, care au fost traversate cu noroaie ngreuiate-peste 1900kg/m3.

Pn la 2000-2100kg/m3 se poate ajunge doar prin reducerea factorului ap-ciment i aditivarea cu fluidizani. Procesul este folosit pentru a forma dopuri de ciment cu rezisten timpurie ridicat. Densitile mai mari se obin cu aceleai materiale, inerte i cu densitate ridicat, folosite i la fluidele de foraj-barit, ilmenit, hematit, granai. Limitele de ngreuiere sunt mai ridicate dac materialele de ngreuiere sunt mcinate grosier, nu au impuriti argiloase i dac sunt utilizai fluidizani adecvai.

Cu ajutorul baritei se prepar paste cu densiti ce ajung pn la 2300kg/m3, iar cu ilmenit i hematit pn la 2400kg/m3.

La temperaturi mai mari de 120C, o parte din ciment poate fi nlocuit cu nisip. Cu un procent de 35% nisip, fa de ciment, se poate ajunge la densiti de 2050-2100kg/m3.

Tot la temperaturi mari se recomand nlocuirea treptat a cimentului cu zgur, chiar n ntregime dac temperatura depete 160C. Ca materiale de ngreuiere se folosesc oxizi de fier i barit.

Prepararea pastelor uoare i ngreunate presupune ncercri de laborator pentru a stabili reeta optim. Dac se cunosc consumurile specifice de ap ale componenilor principali, se pot determina ntr-o prim aproximaie cantitile de ap, ciment i adaosuri necesare pentru preapararea unei anumite reete.

Tabelul 3.5. Paste de ciment ngreuiate cu baritBaritaFactorul ap-cimentFactorul ap-solideDensitatea

Kg--Kg/m3

-

23,4

39,4

58,5

80,8

114,90,382

0,453

0,479

0,515

0,559

0,6300,382

0,373

0,344

0,325

0,309

0,2931970

2040

2100

2160

2220

2280

Paste de ciment srate

Numeroase sonde traverseaz depozite masive de sruri solubile, brecii i intercalaii de sare, strate cu viituri de ap mineralizat. Prin dizolvare, respectiv amestecare n apa de constituie, proprietile pastelor i ale pietrelor de ciment sunt influenate simitor.

Din aceste motive, n zonele respective se utilizeaz paste srate, preparate cu soluii care conin sarea respectiv, adesea saturate. Pastele srate diminueaz umflarea rocilor argiloase i asigur o dezlocuire mai bun a noroiului.

Mai frecvente sunt pastele srate cu clorur de sodiu. Acestea se dizolv, de regul, n apa de preparare. Pentru a evita spumarea pastei de ciment, n ap se adaug un antispumant(0,2-1% fa de ciment).

Pastele srate sunt mai fluide i asigur o aderen mai bun n dreptul masivelor de sare, n parte i pentru c piatra de ciment format este uor expandabil. Aderena se mbuntete dac soluia de preparare nu este saturat i se dizolv sarea din perei.

Se folosesc i paste srate cu cenu de termocentral, nisip sau barit. n general, piatra de ciment srat este mai corodabil dect cea preaparat cu ap dulce. Substanele silicioase mresc rezistena la coroziune.

Paste pentru izolarea zonelor cu pierderi de circulaie

Rocile cu porozitate mare, cavernoase ori fisurate, provoac dificulti i chiar acceidente att la traversarea lor, ct i la cimentarea de burlane. n prima situaie intereseaz posibilitile de combatere a pierderilor prin obturarea canalelor de circulaie cu ciment sau alte materiale izolante; n al doilea caz trebuie prevenite pierderile de past n strate.

Pentru combaterea pierderilor de circulaie se folosesc: amestecuri liante cu priz rapid, care se ntresc imediat ce sunt plasate pe intervalul cu pierderi; amestecuri anhidre, care se ntresc n contact cu apa din zona pierderilor; diverse rini cu ageni de solidificare; paste foarte vscoase; bentonit-motorin, amestecuri de noroi cu hidroxietilceluloz.

Amestecurile obturante sunt plasate n zona de pierderi cu ajutorul garniturii de foraj. Uneori ele sunt presate n strat. Totui, dac deschiderea canalelor nu este suficient de mare, pastele nu ptrund dect superficial, formndu-se o turt de colmatare izoloant.

Pierderile de past n timpul cimentrii sunt prevenite prin: adugarea unor materiale de blocare: gilsonit, perlit, microsfere, azbest, nisip, fulgi de mic, fulgi de celofan etc. Sau prin folosirea pastelor de ciment uoare, pastelor de ciment spumate sau a cimentrii etajate.4. Metode de cimentare

Toate metodele de cimentare au acelai scop-s nlocuiasc fluidul de foraj din spaiul inelar cu un fluid de izolare i s ridice acest fluid pn la o nlime dat.

Ca rezultat al cimentrii se prentmpin posibilitatea deplasrii oricrui lichid sau gaz dintr-un strat n altul prin spaiul inelar, se realizeaz izolarea de durat a orizonturilor productive de apele de zcmnt, se consolideaz rocile instabile, care se deformeaz i se surp, se protejeaz coloana de tubare de aciunea coroziv a apelor de zcmnt i se mrete capacitatea ei de rezisten.

Metodele de cimentare se pot clasifica n dou grupe:

-metode primare;

-metode secundare.

Metodele de cimentare primare se fac dup foraj, iar cele secundare se fac dup cele primare, dup o oarecare perioad de timp n care s-a produs pierderea etaneitii spaiului inelar sau a coloanei, apariia apelor de zcmnt, strecurarea gazelor prin spaiul inelar cimentat.

4.1. Metode primare de cimentare a sondelor

1. Cimentarea continu cu dou dopuri;

2. Cimentarea continu cu un singur dop;

3. Cimentarea coloanelor pierdute;

4. Cimentarea cu niplu i umbrel;

5. Cimentarea n dou trepte;

6. Cimentarea prin circulaie invers.

1. Cimentarea continu cu dou dopuri

Dup tubajul coloanei prevzut cu inel de reinere n interiorul ei se monteaz capul de cimentare(de separare). Dac nu l are n interior nainte de a se monta, capul de cimentare se introduce. n unele construcii de capete de cimentare se afl introdus i dopul inferior. Capul de cimentare se leag la agregatele de cimentare sau la pompele instalaiei. Dup circulaia de fluid n sond, n coloan se introduce dopul tergtor. Apoi se pornesc pompele agregatelor de cimentare i mainile de amestec al cimentului care prepar pasta de izolare. Dup pomparea n sond a cantitii necesare de past de ciment, se elibereaz dopul superior de cimentare. Pasta de ciment se deplaseaz ntre cele dou dopuri, care o separ de fluidul de foraj, prevenind contaminarea ei n interiorul coloanei de tubare. Dup dopul superior de cimentare se pompeaz fluidul de refulare(cel mai adesea fluid de foraj), care mpinge pasta de ciment n spaiul inelar. Se produce o cretere a presiunii din coloan. Se urmrete cantitatea de fluid de refulare, intensitatea pomprii lui se reduce cnd au rmas cca. 1-2m3. Procesul continu pn la suprapunerea dopurilor. Acest moment se numete moment de stop i se caracterizeaz prin creterea presiunii.

Utilizarea dopului inferior de cimentare este deosebit de necesar: pasta de ciment nu se amestec cu fluidul de foraj n interiorul coloanei, se reduce lungimea zonei de amestec a fluidelor n spatele coloanei i ca urmare, este mai mic posibilitatea creterii presiunii la ridicarea pastei de ciment n spatele coloanei(datorit nvscorii).

naintea fluidului de izolare se pompeaz un fluid de separare(fluid tampon), destinat prevenirii amestecrii fluidelor de foraj i de izolare i splrii gurii de sond i a peretelui sondei.

2. Cimentarea continu cu un singur dop

La cimentarea sondelor se utilizeaz de foarte multe ori un singur dop de cimentare(cel superior) - la coloanele de ancoraj i intermediare.

Operaia se desfoar ca la cimentarea cu dou dopuri, cu deosebirea c lipsete dopul de cimentare inferior. Cnd dopul superior se aeaz pe inelul de reinere, presiunea crete i cimentarea se consider ncheiat.

3. Cimentarea de coloan pierdut i de tronson inferior de coloan

Coloanele pierdute(linerele) i tronsoanele inferioare de coloan(care ulterior urmeaz a se ntregi), n majoritatea cazurilor se cimenteaz n acelai mod. Cteodat coloanele pierdute se cimenteaz fr dopuri de separare. n asemenea cazuri procesul de cimentare se desfoar n modul urmtor:

Dup pregtirea gurii de sond, cu ajutorul garniturii de prjini se introduce coloana pierdut la adncimea stabilit. Coloana pierdut se asambleaz la garnitura de prjini printr-o reducie cu filet stnga. n timpul introducerii, coloana i garnitura de foraj se umplu cu fluid de foraj. Apoi, n coloan se pompeaz cantitatea de past de ciment, urmat de fluid de refulare. Cantitatea de fluid de refulare este egal cu volumul interior al garniturii de prjini i coloanei pierdute minus volumul dopului de past reinut la partea inferioar a coloanei.

Fig. 4.1. Cimentarea coloanelor pierdute(linere)

Dup mpingerea pastei de ciment n spatele coloanei pierdute, prin rotire sprre dreapta prjinile de foraj se deurubeaz de la coloan i apoi se ridic civa metri. Prin prjinile de foraj se continu pomparea de fluid de foraj pentru ndeprtarea din ele i din sond a pastei de ciment care s-a ridicat mai sus de captul superior al coloanei pierdute.

Pentru meninerea coloanelor n stare suspendat exist dispozitive speciale, agtoare de diferite construcii.

4. Cimentarea cu niplu i umbrel

Se aplic n cazul zcmintelor depletate, cu presiuni de strat sczute sau cu drenaje accentuate al fisurrilor hidraulice. Pe coloana de tubare se monteaz un niplu special de cimentare, cu orificii i cu o umbrel la exterior; sub acest niplu se afl partea de coloan perforat care se utilizeaz n zona stratului productiv. Inelul de reinere se plaseaz deasupra perforaturilor coloanei. La cimentare pasta de ciment trece n spatele coloanei nu prin iu, ci prin orificiile niplului. Prezena umbrelei nu permite pastei de ciment s coboare sub locul ei de plasare. Presiunea pe stratele din zona inferioar a sondei aflat sub umbrel, rmne la valoarea avut anterior cimentrii. Se cimenteaz numai partea gurii de sond mai sus de umbrel.

5. Cimentarea n dou trepte(etaje)

Se utilizeaz cnd, din cauze de natur geologic, pasta de ciment nu poate s fie ridicat la nlimea necesar intr-o singur treapt. Folosirea cimentrii n dou trepte este indicat n urmtoarele cazuri:

a. prezena unor zone de pierderi de circulaie n stratele inferioare ale sondei;

b. prezena n zona de ridicare a pastei de ciment a unor temperaturi ridicate, care produc intrirea rapid a pastei;

c. dac la sond este imposibil plasarea unui numr mare de agregate de cimentare;

d. pierderea n strate a pastei de ciment.

Utilizarea acestei metode paote duce la economie de ciment.

Se cimenteaz mai nti partea de jos a coloanei i apoi, cea superioar. Pe coloan, corespunztor unei adncimi stabilite, se asambeaz o muf special prevzut cu orificii. n timpul cimentrii treptei inferioare orificiile sunt acoperite. Dup circulaia de splare din sond, n coloan se lanseaz un dop inferior de cimentare(de separare). Apoi se pompeaz past de ciment dup care se lanseaz un al doilea dop. Dup cel de-al doilea dop se pompeaz un volum de fluid de refulare egal cu volumul inferior al prii de coloan aflat sub mufa special. n continuare, n coloan se lanseaz un al treilea dop de cimentare care are diametrul mai mare dect primele dou.

Cnd cel de-al doilea dop se aeaz pe primul, cel de-al treilea dop se afl n mufa de cimentare i se deplaseaz niplul, deschiznd orificiile mufei. Aecst dop rmne n muf i fluidul pompat n sond trece prin orificiile mufei speciale. Dup ndeprtarea prin circulaie a pastei de ciment care s-a ridicat mai sus de nivelul orificiilor mufei speciale, la un anumit timp(cu considerarea prizrii pastei de ciment de la prima treapt) se pomeaz o nou tran de past de ciment, care trece prin orificiile mufei i se ridic n spaiul inelar deasupra acesteia. Dup pasta de ciment se lanseaz un al patrulea dop, care n acelai timp este dop de mpingere i separare. Cnd toat pasta de ciment a trecut prin orifcii, cel de-al patrulea dop se afl n muf i deplaseaz un niplu, care nchide orificiile mufei. Procesul de cimentare se consider ncheiat.

Succesul efecturii procesului de cimentare n dou trepte este determinat n principal, de calitatea i sigurana n funcionare a mufei.

4.2. Metode secundare de cimentare(de refacere)

Toate metodele secundare de cimentare se reduc la transportarea unei cantiti de past de ciment(determinat prin calcul) n sonda tubat sau netubat. Scopul aplicrii metodelor secundare de cimentare este de a obine etanarea coloanei sau izolarea unui strat productiv. n unele cazuri cauza lucrrilor de refacere este necesitatea stabilirii etaneitii spaiului inelar cimentat n care care s-au fcut canale i prin care a nceput deplasarea gazelor, apei sau petrolului.

Dopurile de ciment n interiorul coloanei au ca scop izolarea perforaturilor pentru retragerea i reperforarea n continuare.

4.2.1. Cimentare de tip dop

Pe parcursul sprii, majoritatea sondelor necesit o cimentare de tip dop. Pasta de ciment este pompat prin prajinile de foraj sau tubing pn n spaiul inelar. Spre deosebire de cimentrile primare, cimentul are acelai nivel n spaiul inelar i n coloan. Aceasta creaz o zon blocat la care ne referim ca dop de ciment. n general lungimea dopului de ciment este de 30-180m. n general se recomand ca dopul s fie din motive de etanare de minim 150m.

Dopurile de ciment sunt folosite pentru diferite motive:

-izolarea unei zone,

-oprirea pierderilor de circulaie,

-foraj dirijat,

-abandonarea unei sonde.

Izolarea unei zone

Cnd folosim un dop de ciment pentru izolarea unei zone, acesta poate servi n diverse scopuri:

-Previne migrarea fluidelor n prjini sau spaiu inelar prin izolarea unei zone de nalt presiune de una cu presiune sczut.

-Previne fluide duntoare s ptrund n formaia productiv

-Poate fi folosit pentru blocarea unei zone problematice. De exemplu un dop permanent de ciment poate fi plasat deasupra unei zone depletate fr s afecteze stratele productive de deasupra dopului.

Fig.4.2. Dop de ciment folosit pentru izolarea

unei zone

Folosirea cimentrii dop pentru prevenirea pierderilor de circulaie

Un dop de ciment este aezat uneori n timpul forajului pentru a preveni pierderile de circulaie. Pierderile de circulaie au loc n general n formaii cu poroziti mari sau fisurate. Dopul de ciment ajut la combaterea acestei probleme, nainte ca cimentul s prizeze acesta alunec n caviti blocndu-le.

Fig. 4.3. Dop de ciment folosit pentru zone cu

pierderi de circulaie

Folosirea cimentrii dop la foraje dirijate

Uneori forajul vertical nu este posibil. De exemplu o poriune de prjini rupte nerecuperabile, sau sonda a deviat, sau pur i simplu se dorete forajul ctre o int care se afl lateral fa de gaur. nainte inceperii forajului dirijat este nevoie de un scaun pe care s fie aezat unealta de deviere. Un dop de ciment poate fi folosit n acest scop.

Fig. 4.4. Dop de ciment folosit la

Forajul dirijat

Folosirea cimentrii dop la abandonarea sondelor

Cnd o sond neproductiv sau depletat este abandonat, o portiune din materialul tubular necimentat poate fi extras din sond. Aceasta las zonele cu ap neacoperite. n plus, i zonele de presiune mare neprotejate. Aceasta poate favoriza fluidelor s migreze la suprafa i cauzeaz condiii nefavorabile. n trecut tot felul de materiale au fost folosite, chiar i lemnul. Aceste materiale nu ofereau o izolare satisfctor zonele i nici nu mpiedicau migrarea fluidelor. n prezent exist legi care specific faptul c sondele trebuie cimentate nainte de abandonare. Dopuri de ciment sunt aezate:

-de-a lungul i deasupra zonelor cu strate posibile productive de iei sau gaze,

-deasupra i dedesubtul zonelor cu ap dulce,

-deasupra i dedesubtul materialului tubular rmas n sond ,

-la nivelul solului.

4.2.2. Cimentarea de tip squeeze(sub presiune)

Dac restul cimentrilor primare au fost 100% reuite, atunci foarte rar ar mai fi nevoie s se efectueze o cimentare de tip squeeze. Totui n cazul n care n timpul cimentrii primare noroiul din sond la momentul cimentrii s-a canalizat prin pasta de ciment, cimentarea de tip squeeze va fi necesara pentru remedierea problemei.

Cimentarea squeeze este procesul prin care cimentul este forat n spaiul dintre coloan i spaiu inelar. Nu este de ateptat ca fluide s apar la suprafa. Perforaturi n burlane sunt necesare de multe ori pentru a putea trece pasta n spaiul inelar. Zonele cu canalizri i zonele cu etanari proaste sunt umplute cu ciment. Presiunea de pompare trebuie crescut pentru a fora pasta de ciment n zona dorit. Trebuie permis ca cimentul s se ntreasc ntr-un bloc ce mpiedic micarea fluidelor. Perforaturile din dreptul stratului productiv pot fi abandonate prin acest tip de cimentare, de asemenea sprturile n coloan datorate coroziunii pot fi etanate. Sabotul i captul de liner pot necesita acest tip de cimentare pentru remedierea anumitor probleme, acestea nu necesit perforarea naintea operaiei.

Fig. 4.5. Cimentare squeeze pentru

repararea coloanei5. Cimentarea cu dopuri

5.1. Introducere

Cimentarea primar este operaia efectuat dup ce coloana a fost introdus n sond. Cimentarea este realizat pompnd past de ciment de-a lungul ntregii lungimi a coloanei, ieind pe la sabot, i urcnd n spaiul inelar. Apoi se las cimentul s prizeze nainte de renceperea forajului. Materialele, instrumentele, echipamentul i metoda specific de cimentare pot varia n funcie de caracteristicile sondei, i de oamenii ce planific cimentarea. Pentru a putea cimenta cu succes, este nevoie de cunotine la zi despre condiiile de la sond precum i tehnologii moderne.

Cimentarea nseamn de fapt lipirea materialului tubular de peretele sondei i mpiedic comunicarea cu fluide n sond dintr-o zon n alta. Aceasta este ndeosebi important n partea superioar a sondei, unde zone cu apa dulce pot fi ntlnite. Cimentul are trei funcii principale: izolare, protecie i susinere.

Cimentarea primar izoleaz zone pentru a mpiedica fenomenul de migrare al fluidelor. De exemplu previne:

-petrolul, gazele, apa srat s migreze i s contamineze zonele cu ap dulce.

-apa srat s migreze n gaz i zone cu petrol crend astfel probleme la punerea n producie precum i poluare.

Cimentarea primar izoleaz i protejeaz coloana mpotriva:

-fluidelor din formaie sau gaze, care ar putea cauza coroziune

-presiunii externe, care ar putea turti/ppua coloana

-surparea pereilor sondei cnd se ajunge la foraj de adncimi mai mari.

De asemenea cimentul are rolul de a prelua o parte din greutatea coloanelor, i previne deurubarea burlanelor din partea inferioar.

Ca i metode de cimentare primar avem mai multe variante. Cea mai folosit dintre acestea este cimentarea cu 2 dopuri. Cimentarea ntr-o treapt nseamn pomparea cimentului n josul coloanei ntre dou dopuri de cauciuc. Dopurile sunt echipate cu nite aripioare care previn contaminarea cimentului cu fluidul aflat n sond precum au i rolul de a cura pereii coloanei

Fig. 5.1. Ansamblu dop superior, dop inferior.

Fig. 5.2. Cimentare primar ntr-o treapt

folosind metoda cu 2 dopuri de cauciuc

Alte tehnici folosite n mod frecvent depind de admcimea sondei i cerinele de completare. Cimentri n dou, trei sau patru trepte micoreaz presiunea hidrostatic a coloanei de fluid din spaiul inelar, protejnd astfel zonele cu gradient de fisurare mic mpotriva presiunii excessive i mpiedic pierderea circulaiei. n afar de faptul c ofer unele avantaje economice, cimentul poate sau poate s nu fie circulat pn la suprafa. Cimentarea primar n mai multe trepte este de asemenea important n sonde unde dou sau mai multe zone sunt separate de intervale lungi.5.2. Calculul cimentrii cu dopuri

La o cimentare obinuit de coloan se determin: volumul de past de ciment, cantitile de materiale, volumul fluidului de refulare, presiunea de lucru a agregatelor, durata operaiei de cimentare, numrul agregatelor de cimentare.

Pentru stabilirea acestor elemente se consider momentul final al cimentrii.

a). Volumul de past de ciment

;

n care k1 este un coeficient ce ine seama de neregularitile gurii de sond. Se determin din msurtorile de cavernometrie. De regul k1=1,1 ... 1,2.

b). Cantitile de materiale.

Pentru o unitate de volum de past de ciment(1m3), cantitile de ciment i ap rezult din:

De unde apoi:

Unde k2 este un coefficient al pierderilor la preparare(k2=1,01 ... 1,1), presupunnd c se cunoate densitatea pastei de ciment.

Dac pasta de ciment se prepar dintr-un amestec de materiale solide(ciment i nisip, ciment i diatomit, ciment i cenu etc.) i ap, atunci calculul unei uniti de volum de past de ciment se face cu ajutorul relaiilor:

-pentru cantitatea de ciment

-pentru cantitatea de material solid adugat la ciment

-pentru cantitatea de ap

n care k reprezint raportul n greutate, ntre cantitile de ciment i material de adios iar este densitatea materialului de adios.

c). Volumul fluidului de refulare

d). Presiunea de lucru a agregatelor pa

Variaia posibil a presiunii de lucru este n funie de volumul de fluide pompat n sond.

Fig.1.Variaia pa=f(V)

n punctele principale 1,2,3 i 4. presiunea de lucru a agregatelor va fi:

n care presiunea necesar nvingerii frecrilor din sistemul de circulaie pc se poate calcula, simplificat, cu ajutorul urmtoarelor relaii semiempirice:

n cazul pomprii cu unul sau dou aggregate de cimentare, respective

n cazul pomprii cu mai multe aggregate de cimentare(adncimea H se va lua n metri).

Not: n realitate, pentru calculul presiunii pc trebuie avut n vedere relaia:

n care:

=presiunea necesar nvingerii frecrilor n spaiul inelar;

=presiunea necesar nvingerii frecrilor din interiorul coloanei;

=presiunea necesar nvingerii frecrilor din manifoldul de cimentare.

Presiunea maxim:

n funcie de aceast presiune se alge tipul de agregat ce urmeaz a fi utilizat. Este necesar ca presiunea maxim a agregatului la cea mai mic vitez(viteza I) s fie mai mare dect presiunea maxim de cimentare, adic:

Totodat,

n urmtorul table sunt prezentate principalele caracteristici ale unor aggregate de cimentare i fisurare utilizate n Romnia.

Tabelul 5.1. Gam de aggregate de cimentare i fisurareTipul agregatuluiPa, barQa, l/min

Diametrul plungerului, mmDiametrul plungerului, mm

9010011512790100115127

AC-350-350250200-6869351158

AC-400B400320240-7178551171-

AC-500500400300-7228921178-

ACF-700A*-700550--12201620-

ACF-700B**-700550--12201626-

* Autoasiu Tatra

**Autoasiu Roman

d). Durata operaiei de cimentare

n presupunerea c debitul este meninut constant pentru diversele fluide pompate, atunci durata cimentrii este:

n care Vi este volumul de fluid pompat cu debitul Qi. S-au adugat 1015 minute pentru splarea liniilor, schimbarea legturilor, lansarea celui de-al doilea dop etc.

f). Numrul de agregate de cimentare

Se determin fie din condiia realizrii operaiei ntr-un anumit timp, fie din condiia realizrii operaiei cu anumite viteze de pompare a pastei de ciment n spaiul inelar.

n primul caz,

n care reprezint timpul limit de nceput de priz.

n cel de-al doilea caz, se consider c regimul de curgere turbulent asigur o bun dezlocuire a noroiului de ctre pasta de ciment.

Dac se consider pasta de ciment ca fluid binghamian, atunci numrul Reznolds generalizat la curgerea prin spaiul inelar:

La limit , pentru =2300, regimul de curgere devine turbulent; de aici rezult o vitez critic de curgere

n general:

=1,5m/s(cazul coloanelor de ancoraj i cele intermediare)

=1,8...2m/s(coloana de exploatare).

Evaluarea eficienei cimentrii

Se face prin: carotaj termic(termometrie); carotaj acustic; carotaj radioactiv; probe de etaneitate.

De exemplu, n ceea ce privete carotajul termic, se efectueaz nregistrri ale temperaturii nainte i dup cimentare.

Aplicaie pentru calculul elementelor de cimentare

Fie o coloan de 9 5/8 in, i cu grosimea medie a burlanelor de 10 mm, tubat ntr-o sond cu adncimea de 2500m i diametrul Ds=311mm. Adncimea de cimentare este Hc=1500m. Niplul de reinere a dopurilor de cimentare este plasat la h=20m deasupra iului. Caracteristicile noroiului din sond: densitatea =1400kg/m3, vscozitatea plastic =20CP=2010-3Ns/m2, tensiunea de forfecare =5N/m2.

Densitatea minim a pastei de ciment =1400+200=1600kg/m3. Densitatea admis =1800kg/m3. Apoi vscozitatea plastic =46CP i tensiunea dinamic de forfecare =14N/m2.

1). Volumul de past de ciment:

2). Cantitile de materiale, admindu-se =3150kg/m3:

Cantitatea total de ciment praf, cu k2=1,05

,

volumul total de ap,

.

Not: Dac se plaseaz un dop separator, cu o nlime n spaiul inelar hs=200m, atunci volumul lui este:

,

Densitatea lui trebuie s fie intermediar, deci =1600kg/m3.

Numrul de autocontainere(de 12t),

.

Observaii:

-n perioada de pompare a pastei se ia de regul un agregat la dou autocontainere. Deci rotunjind bineneles n plus, ne-ar trebui 3 agregate.

-Durata de pompare a pastei de ciment aflat ntr-un autocontainer este de 17-20minute. Presupunem folosirea unui agregatm succesiv, pentru dou autocontainere. Vor funciona trei mixere de preparare. Deci durata de preparare a pastei va fi de circa 35 minute.

Debitul mediu de pompare:

.

4). Presiunea de lucru a agregatelor

La sfritul operaiei de cimentare

Simplificat:

,

Deci

Propunem agregatul AC-350, cu diametrul plungerului de 127mm, pentru care:

.

5). S presupunem c vrem s determinm numrul de aggregate din condiia realizrii turbulenei n spaiul inelar.

Viteza critic de curgere la limit este:

Debitul critic:

6). Durata cimentrii

Admitem un randament volumetric al agregatului =80%.

Deci n cazul plungerelor de 127mm, debitul real:

Durata aproximativ a cimentrii:

cu 15 minute pentru operaiile intermediare.

7). Timpul de pompabilitate al pastei:

Observaie: n fiecare moment al operaiei trebuie verificate condiiile:

unde:

=presiunea de pompare;

=presiunea maxim a agregatelor la debitul de pompare;

=presiunea efectiv n interiorul coloanei;

=presiunea interioar admisibil a coloanei;

=presiunea efectiv n exteriorul coloanei;

=presiunea de fisurare a formaiei.6. Evaluarea eficienei cimentrii

6.1. Introducere

O cimentare primar nereuit poate afecta n mod direct perioada de producie a unei sonde, cu ramificaii economice i tehnice considerabile. De exemplu: deterioararea materialului tubular, deformarea sau corodarea acestuia, presiuni n spaiul inelar i apariia unui aflux de fluide nedorite precum apa sau gazele, deteriorarea formaiunii productive etc. Lucrri de remediere pot fi folosite pentru ameliorarea unora dintre problemele mai simple, dar cheia unei operaii de succes este ca cimentarea primar s fie gandit bine nc de la nceput.

Dup cum am vazut nc din Capitolul II. Analiza critic a cimentrilor efectuate pe structur calitatea cimentrilor efectuate pe structur las de dorit, cea mai mare problem fiind apariia emanaiilor de gaze. Vom analiza n acest capitol cauzele apariiei gazelor explicnd fenomenul de migrare.

Cauzele unei cimentri primare nereuite

Trebuie tiui factorii care pot influena nereuita operaiei de cimentare. Civa dintre acetia sunt:

amestecarea incomplet a pastei de ciment, cauzat de:

-defeciuni mecanice

-ap sau presiuni incorect

ntrirea pastei de ciment prea trziu sau prea devreme

-ap de amestec contaminat

-prea mult sau prea puin ap

-temperatura din sond incorect msurat

-sabot nfundat

-rat de pompare inadecvat

canalizarea pastei de ciment

-burlane necentralizate n gaur

-coloan inut n nemicare

-necircularea noroiului6.2. Migrarea gazelor

Consolidarea sondei i izolarea stratelor sunt operaii finale ale ciclului de foraj, care dau posibilitatea s se exploateze sondele fr dificulti. Numai dup o consolidare i o bun calitate a cimentrii este posibil exploatarea de durat a sondei fr apariia unor lucrri de reparare.

n unele cazuri, dup cimentarea primar, sau n timpul exploatrii apar gaze n spatele coloanelor. n funcie de amploarea fenomenului se poate ajunge la lucrri complicate i costisitoare de reparare a sondelor i cu implicaii asupra mediului nconjurtor.

6.2.1. Explicarea fenomenului de migrare

Migrarea fluidului din formaiune n urma cimentrii primare are loc atunci cnd fluidul se deplaseaz la suprafa sau ntr-o zon dintr-o formaiune prin canalele create n spaiul inelar cimentat. Problemele cauzate de migrarea fluidelor includ necazuri n ceea ce privete curgerea interzonal, presiune n spatele coloanei de burlane, presiune la gura sondei, erupii libere i pierderea instalaiilor de foraj. Numrul sondelor cu presiune la suprafa n spatele coloanelor este n cretere dup cum sunt n cretere i vrstele sondelor.

Dei migrare fluidelor din formaiune pare a avea loc n locuri diferite din diverse cauze, sunt totdeauna trei factori fundamentali comuni n curgerea fluidelor dup cimentare:

-prezena fluidului de formaiune,

-posibilitate de ptrundere din formaiune n gaura de sond a gazelor,

-canale de curgere n gaura de sond care permit accesulu fluidului ctre zone cu presiune mai joas.

n general, prezena i caracteristicile gazelor din formaiune sunt cunoscute nainte de cimentare. Presiunile necesare pentru oprirea curgerii gazelor n sond sunt determinate astfel nct sonda s poat fi controlat n timpul forajului. Densitatea pastei de ciment i procesul de plasare sunt de asemeanea destinate s controleze presiunea hidrostatic din zona cu gaze. Imediat dup plasarea pastei de ciment, gazele din orice zon adiacent sunt captate n formaiune i sonda este n echilibru static. Astfel, iniial, primul factor al stoprii migrrii gazelor este satisfcut, fluidul din formaiune imediat dup cimentare fiind controlat de presiunea hidrostatic dar, dup plasarea pastei de ciment:

-gelaia cimentului static restricioneaz transmiterea presiunii hidrostatice;

-pierderea de filtrat n formaiunile permeabile ca i reducerea de volum datorit hidratrii chimice duc la eliberarea presiunii de referin;

-declinurile de presiune pot fi suficiente pentru a permite infiltrarea fluidului prin cimentul gelificat;

-formarea canalelor permanente de curgere. n urmtoarele ore sau chiar luni, gazul poate depi presiunea de referin, s intre n gaura de sond i s migreze prin spaiul inelar.

Se poate concluziona c forele care guverneaz intrarea gazelor din formaiune n spaiul inelar dup cimentare sunt:

-creterea rezistenei de gel din pasta de ciment;

-diferena dintre presiunea hidrostatic iniial exercitat de coloana de ciment asupra formaiunii cu gaz i presiunea din porii formaiunii;

-pierderea de fluid din ciment ctre formaiunile adiacente;

-pierderile de volum din timpul reaciilor de hidratare a cimentului.

Odat ajuns n interiorul spaiului inelar gazul din formaiune trebuie s i gseasc un canal de migrare. Presiunea diferenial pozitiv asupra curgerii prin spaiul inelar poate crea un canal de curgere pentru mai mult gaz din formaiune.

Influena creterii rezistenei gel

Cnd coloana de fluid din spaiul inelar de deasupra zonei purttoare de gaz este corect proiectat, fora hidrostatic a coloanei este iniial suficient pentru a nvinge presiunea de pori din formaiune. Totui procesul chimic complex de hidratare a cimentului, care ncepe imediat ce cimentul este amestecat cu ap, creaz dou condiii care conduc la reducerea presiunii hidrostatice. Prima condiie este creterea rezistenei de gel. Iniial dup plasare pasta de ciment funcioneaz ca un adevrat fluid, deoarece presiunea din orice punct din coloana de ciment este egal cu cea hidrostatic. Cnd pasta de ciment devine static, starea de gelaie opune o rezisten slab la nceput, care mai trziu devine tot mai puternic. Aceast structur se manifest ca o gelaie n volumul pastei de ciment. Cu gelaia, adeziunea la suprafeele gurii cauzeaz pierderea abilitii coloanei de ciment de a transmite toat presiunea hidrostatic. Aceast gelaie continu s creasc pn cnd cimentul devine solid. Acest lucru introduce conceptul de timp de tranziie, care nseamn intervalul n timpul cruia procesul de priz din momentul n care pasta de ciment ncepe s piard abilitatea de a transmite ntreaga presiune hidrostatic pn in momentul n care cimentul dezvolt suficient rezisten pentru a putea preveni intrarea sau migrarea gazului din formaiune(opune rezisten mecanic). Pe msur ce gelaia continu s creasc, se dezvolt o structur intern suficient de puternic n interiorul cimentului pentru a susine parial pasta de ciment n spaiul inelar. Astfel gelaia previne transmisia ntregii presiuni hidrostatice din coloana de fluid de deasupra. Aceasta nu deranjeaz pn nu intervine o a doua cauz-pierderile de volum.

Reducerea volumului i pierderea de presiune

Pierderile de volum au loc n i