Cimenturi de Sonde,aditivi Si Cimentarea Sondelor

Cimentul de sonde

Cimentul de sonde este o pulbere foarte fină, de culoare cenușie, obținută prin măcinarea unei mase silicioase (klinker) rezultată prin arderea controlată la 1450 oC a unei materii prime formată din oxizi naturali. El face parte din clasa cimenturilor Portland care cuprinde peste 30 de tipuri de ciment și care, la rândul ei este cuprinsă în marea clasă a lianților hidraulici, adică a acelor materiale în stare pulverulentă care, amestecate cu apă, se întăresc și după un anumit timp capată consistența pietrei. Cimenturile Portland și deci, cimentul de sondă, au în general următoarea compoziție chimică: SiO2 19-24%, MgO 1-5%, Fe2O3 2-6%, Al2O3 4-7%, CaO 60-70%.

Compoziția klinkerului:

C3S – este format din 73.7% CaO și 26.3% SiO2 și reprezintă cel mai important component al cimentului, având caracteristici hidraulice bune, timp de priză rapid, rezistență inițială mare.

C2S – este format din 65.1% CaO și 34.9% SiO2, se întărește cu o viteză mult mai mică decât C3S, însă, în timp piatra de ciment atinge aceiași rezistență ca cea obținută din C3S. Silicatul dicalcic oferă pietrei e ciment rezistență la atacul sulfaților.

C3A – este componentul care hidratează cel mai repede, micșorează timpul de priză al cimentului, dezvoltă o căldură mare de hidratare și produce o pastă cu o separare redusă. Rezistența pietrei de ciment este mică, la întărire are loc o contracție mare și rezistență slabă la sulfați.

C4AF – se hidratează mai încet decât C3A dezvoltând o cantitate mai mică de căldură. Are o slabă tendință de contracție și o rezistență mecanică ridicată.[1]

Clasificarea cimenturilor de sonde

În România se utilizează frecvent următoarele tipuri de ciment:

Cimentul S1 (SR 1544) se poate utiliza până la adâncimi de 1850 m în medii cu agresivitate sulfatică redusă. Se poate aditiva cu acceleratori sau întârzietori de priză în raport cu condițiile de folosire. La temperaturi relativ ridicate are un început de priză suficient de lung pentru a putea fi pompat in sondă. La prepararea pastei suportă cantități mari de apă fără a pierde mult din rezistență. Are tendință minimă de sedimentare și filtrare.

Cimentul S2-RS (STAS 9253) este utilizat până la adâncimi de 2500 m în medii cu agresivitate sulfatică ridicată, iar aditivat la adâncimi mai mari. La preparare suportă cantități mari de apă fără a pierde mult din rezistență. Are tendință minimă de sedimentare.

Cimentul F (experimental) este utilizat până la adâncimi de 4880 m, temperaturi de 120 oC și presiuni de 1113 at.

Cimentul expansiv se folosește la cimentarea sondelor cu adâncimi mai mici de 2400 m. Este obținut prin măcinarea unui amestec de klinker Portland, klinker aluminos, tras și gips. Priza pentru pasta de ciment de consistență normală nu începe mai devreme de 45 min și se termină în maximum 8 ore.

Cimentul termal se folosește la cimentarea sondelor de combustie, cu adâncimi mici și temperaturi ce pot atinge 400-1100 oC când procesul de ardere este inițiat.

Conform Insititutului American al Petrolului (API) și în conformitate cu ISO 10426 cimenturile de sonde se clasifică în 8 Clase (A, B, C, D, E, F, G și H) și în 3 Grade (O (grad ordinar), MSR (rezistență medie la sulfați) și HSR (rezistență ridicată la sulfați)).

Aceste produse sunt obținute prin măcinarea clinkerului de ciment Portland și sunt constituite în principal din silicați calcici hidraulici și de asemena pot conține una sau mai multe forme de sulfat calcic.

Cimentul Clasa A este disponibil doar în gradul ordinal și este echivalent cu Tip I din ASTM C 150. Cimentul Clasa B este disponibil în gradele MSR și HSR fiind echivalent Tip II din ASTM C 150. Cimentul Clasa C este disponibil în gradele O, MSR și HSR fiind echivalent Tip III din ASTM C 150. Cimenturile Clasa D, E, F, G și H sunt disponibile în gradele MSR și HSR.

Cimentul din Clasele A, B, C, se folosește pentru cimentări până la adâncimi de 1830 m (6000 ft), D între 1830-3050 m, E și F între 3050-4270 m, G și H până la 2440 m.[2]

Compoziția chimică a celor 8 Clase de cimenturi este prezentată în tabelul următor:

Conform ASTM C 150, clasificarea și compoziția chimică a cimenturilor de sondă este prezentata în tabelul următor:[3]

Materiale pentru realizarea amestecurilor și soluțiilor de cimentare

Pentru a mări domeniul de utilizare a cimenturilor, acestea pot fi aditivate cu diverși produși care modifică anumiți parametri ai pastei și pietrei de ciment, funcție de scopul urmărit: mărirea sau micșorarea densității pastei de ciment, accelerarea sau întârzierea timpului de priză, creșterea gradului de dispersie al particulelor solide în pasta de ciment, micșorarea vâscozității și filtratului, creșterea rezistenței mecanice și la acțiunea agenților agresivi în timp pentru piatra de ciment.

Barita – este un mineral foarmat în principal din sulfat de bariu; este folosit ca material de îngreunare având densitatea de 4-4.5 kg/dm3; este insolubil în apă iar folosirea ei pentru aditivarea cimenturilor determină creșterea cantității de apă cu 0.2% pentru fiecare procent de barită.

Timpul de îngroșare al pastelor de ciment grele preparate cu barită, la densități în jur de 2.2 kg/dm3 în condiții de temperatură și presiune trebuie să fie cu puțin mai redus decât timpul de îngroșare al pastei de ciment fără barită.

Cenușa de termocentrală – este un pozzolan artificial sub formă de reziduu fin, rezultat din arderea cărbunelui pisat, antrenat la coș. Este un material silicos sau silicios și aluminos care în sine nu posedă proprietăți de cimentare, dar în prezența apei reacționează chimic cu hidroxidul de calciu, la temperatura ambiantă formând compuși cu proprietăți liante. Are densitatea de 1.67 kg/dm3 și conferă cimentului cu care se amestecă: rezistența la coroziune, căldură de hidratare mică, raport apă/solide mic, timp de pompabilitate și retrogresia pietrei de ciment îmbunătățite.

Timpul de priză al amestecului de ciment-cenușă este între 1.25-2.5 din timpul de priză al cimentului curat. Cenușa este un igredient care facilitează obținerea de paste de ciment ușoare.

Nisipul – fin măcinat sub formă de făină de silice are densitatea de 2.78 kg/dm3. Adăugat în procent de 20-40% față de greutatea cimentului conferă pastei de ciment rezistență mărită la temperaturi de peste 110 oC prevenind transformările cristalo-chimice din structura de rezistență.

Diatomita – are densitatea de 2.12 kg/dm3 fiind utilizată la obținerea pastelor de ciment ușoare în amestec 10-40% față de greutatea cimentului.

Alături de acești aditivi care se adaugă în ciment se utilizează și o serie de reactivi chimici care se introduc în apa de preparare a pastei de ciment.

Reactivi chimici folosiți la cimentarea sondelor

Reactivi chimici întârzietori de priză – Lc lignotartrin concentrat, FLAG 120, FLAG 95, LSA lignosulfonat de amoniu, ACIM 02, ACIM 11, ACIM 14, CELLAD, AGL lignină hidrolizată activată, bicromat de potasiu, bicromat de sodiu, acid boric, borax, acid tartric, dietanolamină, smolă (rășină de lemn), karbo-sulfat, karboxi-metil celuloză CMC, borhot sulfit alcoolic concentrat KSSB, latex sintetic, monoetanolamină, Nekal, NCeK negru de contact neutralizat, OP-10N, polifenol din chimia lemnului „PLFH”, ET-1, tanat sintetic, Sunil, tartru tehnic TVK, Trilon B, trietanolamină, formalină, cromat de sodiu, tescovină de mere, corcodușe sau struguri, ciment tixotropic întârziat. Aceste materiale permit un timp suficient plasării cimentului prin întârzierea întăririi cimentului.

Reactivi chimici acceleratori de priză – clorura de sodiu, clorura de calciu, clorură de calciu și sodiu, clorură de calciu și amoniu, silicat de sodiu, clorura de potasiu. Aceștia au rolul de a reduce timpul de îngroșare a pastei de ciment de accelerare a întăririi cimentului.

Reactivi chimici antifiltranți – HEC hidroxietil celuloza, bentonită, ACIM 93

Reactivi chimici antispumanți – ACIM 13, antispumant

Materiale de umplutură – bentonită, diatomită, cenușă zburătoare, pozzalon natural Texas, pozzalon natural California, cenușă + bentonită, ciment argilos calcinat, metasilicat de sodiu anhidru

Materiale de îngreunare – nisip Ottawa, barită, hematită, hemit.

Materiale pentru pierderea de fluid – CMHEC, CEMAD 1 (cianicid), polimeri organici. Reduc rata prin care filtratul pastei de ciment se pierde prin formațiunile permeabile. Funționează prin viscozificarea apei amestecate sau prin legarea la porii turtei de pastă a unor lanțuri polimerice lungi.

Materiale pentru pierderea circulației – gilsonit, praf de cărbune, celofan, coajă de nucă, perlită expandată.

Materiale pentru temperatură mare – praf de silice, nisip curțifier.

Dispersanți – organici și lichizi. Se mai numesc și reducători de frecare, aceste materiale permit o amestecare și o pompare mai ușoară a pastei de ciment prin reducerea vâscozității acesteia. Acționează la suprafața stratului de ciment. Este considerată ca și o a doua întârziere. Permit de asemenea un control ridicat al pierderilor de fluid.

Materaile speciale – ciment expandabil, antispumanți (pudră, lichid), amestec de geluri, ipsos, latex, aluminat, dislocuitor de noroi, fibre de nailon, ciment motorină, prespălător, noroi cu produse petroliere (separator)

Aditivi utilizați la cimentarea sondelor:

Caracteristicile pastelor și pietrelor de ciment și determinarea lor

Importanța operațiilor de cimentare este impusă de faptul că ele fac parte din etapa de consolidare și finalizare a sondei și de rezultaul lor depinde reușita sondei. Pentru aceasta se acordă o atenție deosebită studiului caracteristicilor pastelor și pietrelor de ciment, și anume:

1. Căldura de hidratare – Pasta de ciment este un sistem dispers format din apă și particule de ciment, proporția dintre acestea se exprimă prin factorii care reprezintă raportul (din greutate) dintre lichide și solide. La introducerea cimentului în apă componenții anhidri și nestabili ai cimentului se hidratează cu degajare de căldură formând combinații stabile. Temperaturile și presiunile ridicate din sondele de mare adâncime influențează în mod considerabil, procesul de hidratare a particulelor de ciment dar acestă influență este puțin cunoscută și studiată.

2. Greutatea specifică – A pastelor de ciment are o influență determinantă asupra realizării operațiilor de cimentare, alegerea ei facându-se având în vedere densitatea și caracteristicile reologice ale fluidului de foraj și condițiile specifice ale fiecărei sonde. În multe cazuri se acceptă greutatea specifică rezultată din compoziția obișnuită (apă-ciment); în cazul pastelor grele (2.1 kgf/dm3) se impune utilizarea materialelor de îngreunare. Limita superioară a greutății specifice este determinată de rezistența la fisurare a stratului traversat; de aceea când se cimentează formațiuni de tendințe de fisurare se utilizează paste de ciment ușoare. Limita inferioară a greutății specifice a pastei este determinată de greutatea specifică a fluidului de foraj ce trebuie dislocuit. Cu cât această diferență este mai mare, cu atât dislocuirea este mai bună. Se recomandă o diferență de 0.15 – 0.4 kgf/dm3, între greutățile specifice ale celor două fluide.

3. Proprietățile de curgere – Pastele de ciment sunt fluide ne-newtoniene caracterizate printr-o limită de curgere ce se situează de obicei între 50-200 dyne/cm2. Deoarece în momentul preparării în pasta de ciment au loc în paralel procese coloidale și chimice ca: dispersare, hidratare, hidroliză, reacții chimice, etc., proprietățile de curgere ale pastelor se schimbă în mod continuu și depind în special de solicitările mecanice, presiune, temperatură, raport apă/ciment, etc.. Determinarea proprietăților de curgere ale pastelor de ciment se face cu ajutorul viscozimetrelor.

Pentru a evalua caracteristicile de curgere ale pastelor de ciment în condiții de temperatură și presiune se folosește consistometrul Pann-American.

Consistența pastei este măsurată indirect de un voltmetru prin intermediul unui potențiometru cuplat cu axul cu palete aflat în celula cu pasta de ciment, ce se rotește cu o viteză constantă. Timpul scurs pentru ca o pastă de ciment supusă la agitare, presiune și temperatură să obțină în consistometru o viscozitate aparentă de 100 Poise (unități de consistență UC) este timpul de îngroșare.

4. Filtrarea – pastele de ciment filtrează apa în stratele permeabile chiar la o cădere mică de presiune. Aparatura pentru determinarea filtrării este presa-filtru ce supune pasta la o presiune de 7 at. și la temperatura mediului ambiant. Filtrarea se raportează la 30 minute.

Valorile recomandate pentru filtrare sunt:

Maxim 200 pentru strate cu permeabilitate de până la 100 mD.

Maxim 120 pentru spații inelare mici, sub 25 mm

Maxim 40 pentru strat de gaze.

Există și prese-filtru API de presiune și temperatură înalte.

5. Separarea – Pasta de ciment fiind un sistem dispers are tendința de a separa apa și de a sedimenta particulele solide. Stabilitatea unei paste de ciment este cu atât mai mare cu cât cantitatea de apă separată este mai mică. Determinarea separării de apă se efectuează după stabilirea greutății specifice și constă în introducerea pastei de ciment într-un cilindru gradat și citirea din jumătate în jumătate de oră, timp de două ore, a cantității de apă, separată din pastă. Rezultatul se exprimă în procente, după două ore de la prepararea pastei, la temperatura mediului ambiant și fără pierdere de evaporare. Se recomandă:

pentru cimentări de coloană și dop S ≤ 2%

pentru cimentări de coloană la sonde de gaze și ciment sub presiune S = 0%

6. Răspândirea pastei de ciment – Este o mărime convențională, ce caracterizează fluiditatea inițială a pastei de ciment, se exprimă în mm și se determină în laborator cu un dispozitiv alcătuit dintr-o formă tronconică și un suport pe care sunt înscrise cercuri concentrice și peste care se așează o placă de sticlă. Se umple forma tronconică pe cercul cu diametrul de 64 mm, se ridică vertical și se repede, permițând pastei să se răspândească pe placă. Media a trei citiri a diametrului pastei dă rezultatul răspândirii. Se indică pentru răspândire o valoare minimă de 170 mm.

7. Începutul și sfârșitul de priză – Începutul de priză este perioada după care pasta testată în condiții statice își pierde proprietățile tixotropice. Sfârșitul de priză este perioada după care pasta menținută în condiții statice capată proprietățile unui corp solid.

Începutul și sfârșitul de priză se determină cu ajutorul acului Vicat format dintr-o tijă metalică cu un disc și o greutate (300 grame) la partea superioară, o scară gradată divizată în mm, iar la partea inferioară un ac cu diametrul de 1.13 mm.

Determinările se fac astfel: se umple celula cu pasta de ciment, se așează celula sub ac, se coboară tija până când acul face contact cu suprafața pastei și apoi se lasă să pătrundă liber în pastă. Intervalul de timp de la prepararea pastei și până în momentul în care acul ajunge la 0.5 mm de la baza celulei, se consideră inceputul prizei. Intervalul de timp de la prepararea pastei de ciment și până în momentul în care acul nu mai lasă pe suprafată pastei de ciment o urmă mai adâncă de 1 mm, se consideră sfârșitul prizei. În timpul determinării timpului de la început și sfârșit de priză, celula etanșă cu pasta de ciment (forma) se ține într-o baie la temperatură constantă și presiune atmosferică conform temperaturii din sondă.

8. Aderența pietrei de ciment – O cimentare de calitate impune nu numai un anumit nivel al cimentului în spațiul inelar ei ci și aderența pietrei de ciment la coloană și la pereții găurii de sondă. Pentru a obține o bună aderență trebuie să se înlăture turta de fluide de foraj de pe pereții sondei și coloană, să se asigure un regim turbulent de pompare a pastei de ciment, să se utilizeze substanțe de spălare înainte de pomparea pastei de ciment.

9. Rezistența la compresiune a pietrei de ciment – Piatra de ciment din spațiul inelar este supusă la tensiuni de comprimare și încovoiere. Rezistența la compresiune a pietrelor de ciment atinge, în general, valoarea necesră procesului de foraj.

Se consideră că valoarea de 33 kgf/cm2 este suficientă pentru solicitările din sondele cu adâncimi medii. Stabilirea rezistenței la compresiune este o încercare mecanică pe probe de piatră, prin aplicarea unei sarcini progresive de comprimare cu ajutorul unei prese. În practică, rezistența la compresiune a pietrei de ciment trebuie să aibă următoarele valori:

Pentru susținerea coloanei (degajare) minim 7 kgf/cm2

Pentru frezarea cimentului în coloană (reluarea forajului) 21-35 kgf/cm2

Pentru perforarea coloanei de exploatare cu: perforator cu gloanțe 14-35 kgf/cm2 și perforator cu celule explozive minim 140 kgf/cm2

Pentru fisurare hidraulică sau supunerea coloane la presiuni interioare mari, 210-350 at.

Pentru cimentări dop-pentru resăpare-140 at., iar pentru celelalte categori de dopuri 70 at.

Pentru cimentări sub presiune 10-11 at. Cu excepția operațiilor de remediere a cimentărilor primare nereușite, pentru care rezistenta la compresiune trebuie să fie apropiată de cea a inelului de ciment

Rezistența pietrei de ciment curat crește cu temperatura până la 110 oC după care scade ca urmare a retrogresiei. De aceea peste 110 oC se folosește ciment aditivat cu SiO2 (făină de silice) iar pentru sonde de injecție de abur se utiliează ciment termal.

10. Rezistența la încovoiere a pietrelor de ciment – Piatra de ciment din spațiul inelar este supusă și la tensiuni de încovoiere. Stabilirea în laborator a rezistenței la încovoiere se face cu ajutorul aparaturii Fruling-Michaelis folosind prisme de ciment pe care cad bile dintr-un rezervor cu un debit de 100g/s, până la ruperea probei.

11. Variația de volum a pietrelor de ciment – În timpul întăririi pastei de ciment ca urmare a hidratării particulelor de ciment, se formează noi cumpuși care au o greutate specifică mai mică decât a clinkerului, dar mai mare decât a pastei de ciment. Deci, întărirea pastei este însoțită, în general, de o contracție volumetrică, ce se traduce prin apariția unui spațiu poros în interiorul pietrei și în mai mică măsură modificării dimensiunilor exterioare, apariția microspațiului inelar teren ciment. În acest spațiu poros sunt aspirate lichidele sau gazele din orizonturile traversate; cimentările nereușite sunt atribuite în primul rând acestui fenomen, care poate fi eliminat prin utilizarea unor aditivi, care conferă pietrei de ciment proprietăți de mărire a volumului (cimenturi expandabile); pastele de ciment saturate cu sare își măresc volumul la întărire cu aproximativ cu 0.15%.

12. Permeabilitatea pietrelor de ciment – este cauza care duce la apariția timpurie a presiunilor ridicate și la circulația de fluide din strat în spațiul inelar cimentat. Permeabilitatea se măsoară în darcy sau mili-darcy și se determină cu ajutorul permeametrului, atât pentru lichide cât și pentru gaze.

13. Rezistența la coroziune a pietrelor de ciment – Prin coroziunea pietrei de ciment se înțelege distrugerea constituenților cimentului sub influența lichidelor agresive (ape ce conțin MgSO4, Na2SO4), gaze umede (H2S, CO2, etc.). coroziunea pietrelor de ciment se traduce prin modificarea caracteristicilor mecanice (rezistența la compresiune și încovoiere), modificarea dimensiunilor, modificarea permeabilității, modificarea compoziției chimice.

Influența corozivă a apelor cu sulfați depinde de temperatură – etse maximă la temperaturi mici (27-38 oC) și nulă peste 82 oC, și de concentrația sulfaților în apă – la concentrații mai mici de 1500 ppm, cimentul nu este atacat.

Cimentarea sondelor

Operația de cimentare a sondelor de țiței reprezintă una din cele mai importante lucrări în construcția sondei (foraj) și în timpul exploatării acesteia.

Cimentările la sondele de foraj au ca scop:

Realizarea unui suport consolidat al găurii de sondă

Izolarea straturilor de apă agresive și a celor de gaze

Izolarea formațiunilor cu sare

Izolarea orizonturilor productive de grosime mică, traversate în timpul forajului, în scopul conservării lor

Consolidarea coloanelor de burlane pentru continuarea forajului sau pentru punerea în producție a sondei

După modul de realizare al operațiilor se disting următoarele tipuri de cimenatări:

Cimentare de coloană (care se excută prin coloana respectivă)

-de suprafață

-tehnică (simplă sau etajată)

-de exploatare (simplă sau etajată)

-coloană pierdută (liner)

Cimentări diverse (care se execută prin prăjinile de foraj)

-dop în gaură de sondă (pierderi)

-dop în coloană (diverse scopuri)

-dop pentru abandonarea sondei

Cimentările la sondele în exploatare (executate prin țevile de extracție) au ca scop:

Izolarea straturilor de apă sau gaze pentru diminuarea procentului de impurități sau scăderea raportului gaze-țiței

Închiderea unor spărturi, îmbinări neetanșe ale coloanelor

Cimentarea spațiului dintre coloane în scopul continuării probelor de producție

O operație de cimentare de orice tip cuprinde următoarele etape:

Faza de pregătire – care cuprinde lansarea comenzii de execuție de către schela de foraj sau extracție și cuprinde toate informațiile fizice despre sondă și despre materialele ce urmează a fi folosite. De asemenea presupune pregătirea găurii de sondă, determinarea diametrului mediu (cavernometrie), preprarea noroiului, înlăturarea turtei de noroi de pe pereții găurii de sondă, montarea centrorilor pe coloana ce urmează a fi cimentată în vederea obținerii unui inel de ciment uniform.

Faza de execuție a operației – cuprinde ansamblul de lucrări ce se execută din momentul opririi circulației noroiului până la scurgerea presiunii din coloană. Este faza cea mai importantă a operației de cimentare.

Faza de verificare a reușitei operației – este cea în care se constă reușita operației efectuate. Această fază se poate prelungi și în timpul exploatării sondei.

În sondele de țiței se găsesc diferite materiale: oțel din care e confecționată sonda, polimeri pentru împachetare și materiale pe bază de ciment pentru etanșarea anulară. Fiecare dintre aceste materiale trebuie să-și păstreze integritatea nu doar în perioada de producție ci și după abandonarea sondei. În timpul etapei de producție, pentru a asigura o rată ridicată de prodcuție, nu are trebui să aibă loc nicio circulație a vreunui fluid (apă sau fluide produse) sau cedări ale sondei (fisuri). După abandonarea sondei, o avarie a izolării zonale poate conduce la probleme severe asupra mediului ca de exemplu scurgeri de substanțe poluante la suprafață. În concluzie, izolarea zonală trebuie să fie una eficientă pentru a rezista sute sau mii de ani. Realizarea unei izolări zonale bune presupune o bună proiectare a sondei, o cimentare primară foarte bine realizată precum și alegerea cu atenție a materialelor.

S-au realizat studii asupra comportării pastei de ciment în diferite medii imitând condițiile din zăcământ. În cazul cimentării în apă în condiții statice, s-a constatat o depreciere a proprietăților mecanice a cimentului cu ~20%. Pentru cimentări într-o apă cu salinitate scăzută, reînnoită lunar, s-a constatat o depreciere a proprietăților mecanice ale cimentului cu ~50%, această degradare fiind asociată cu leșierea portlanditului și cu apariție de microfisuri datorate variației de presiune și temperatură. În cazul cimentării în zacăminte de țiței, nu s-au observat deprecieri diferite decât de cele în cazul cimentării în apă, în condiții statice. Aceasta poate fi explicată prin absența substanțelor cu caracter acid din țiței.

În cazul sondelor geotermale cu temperatură ridicată, sunt folosite în general paste de ciment amestecate cu silice. În general, un procent de 35-40% silice este adăugat la amestec pentru a scădea raportul Ca/Si în vederea prevenirii retrogresiei proprietăților fizice și chimice la temperaturi peste 110 oC.

Teste efectuate au arătat că adăugarea de GGBFS (zgură de furnal) îmbunățește rezistența la compresiune la temperaturi ridicate. Prezența GGBFS în pasta de ciment scade pierderile de fluid și crește timpul de așezare comparativ cu pastele de ciment uzuale bazate pe silice. GGBFS este un produs secundar în industria metalurgică iar al său cost este mult mai scăzut decât al unui ciment Clasa G. utilizarea GGBFS în acest tip de sonde nu este doar economic ci și prietenos cu mediul.

Consolidarea sondei trebuie astfel realizată încât fluidul de foraj să nu se amestece foarte mult cu pasta de ciment folosită la cimentarea sondei. Studii realizate recent au arătat că anumiți aditivi, de exemplu, poliacrilamida de potasiu adăugată în fluidul de foraj, datorită catenei foarte lungi poate absorbi particule de ciment formând rețele structurale mixte. Astfel, particulele de ciment se pot aglomera ducând la scăderea pompabilității cimentului.

Noțiuni de reologia pastei de ciment

Reușita cimentării sondelor depinde de mecanismul prin care pasta de ciment este plasată în spațiul inelar. Dislocuirea completă a noroiului este o condiție necesară pentru obținerea unei bune plasări a cimentului, în caz contrar putând apărea complicații și probleme de producție:

Țițeiul și gazele pot ieși din zonele productive

În zonă pot pătrunde fluide exterioare zăcământului

Fluidele de stimulare pot ocoli formațiunea productivă

Apare migrația fluidului în spatele coloanei

Gradul de dislocuire a noroiului de către pasta de ciment depinde de:

Proprietățile de curgere ale pastei de ciment și noroiului

Viteza de curgere

Densitatea pastei de ciment și noroiului

Geometria spațiului inelar

Mișcarea coloanei (manevrarea și rotirea)

Proprietățile pastei de ciment și noroiului variază în gaura de sondă datorită efectului temperaturii și presiunii și neuniformității găurii de sondă. Caracterul unui fluid este descris de relația dintre viteza de curgere (viteza de forfecare) și presiune (tensiunea de forfecare). Sunt două tipuri de fluide de bază: newtoniene și ne-newtoniene.

Fluidele newtoniene (apa) manifestă o strânsă legătură între viteza de curgere și presiune, cu cât presiunea crește, viteza de curgere crește și trcerea de la regimul de curgere laminar la cel turbulent se face printr-o zonă de tranziție.

Fluidele ne-newtoniene sunt mai complexe, ele manifestă rezistență la curgere (rezistență de gel) când se aplică o presiune.

Aceste fluide au trei regimuri de curgere: dop (Re<100), laminar Re>100, Re<2100 (3000) și turbulent pentru Re>2100 (3000), cu zone de tranziție între ele. Pentru fluidele ne-newtoniene se aplică două modele de calcul în vederea determinării căderii de presiune și a regimului de curgere: modelul plastic Bingham și modelul Legii puterii.

Proprietățile reologice ale pastei de ciment determină calitatea produsului final și ajută la prezicerea terminări performanței și a proprietăților fizice în timpul și după folosirea acestuia.

Testele reologice pot determina proprietățile pastei de ciment cum ar fi vâscozitatea, tăria gelului, comportamentul tixotropic, etc. Reologia pastei de ciment este o manifestare a interacțiilor dintre particulele de ciment, apă și alți constituenți având proprietăți caracteristice atât solidelor elastice cât și lichidelor vâscoase.

Bibliografie

1.V. Dumitrescu, Al. Dima, G. Cristescu, E. Proorocu, V. Dumitrescu, Agenda I.F.F.O.S.P., Ediția a-III-a, Ministerul Petrolului, 1988

2.API Specification 10A, Specification for Cements and Materials for Well Cementing, API, 2010

3.ASTM C150 – Standard Pecification for Portland Cement, ASTM, 2004

4.Anjuman Shahriar, Investigation on Rheology of Oil Well Cement Slurries, 2011

5.Helge Hodne, Rheological performance of cementitious materials used in well cementing, 2007

6. Lee Dillenbeck, The Impact Of Cementing On Proper Well Control, Chevron, 2010

7. Gary Funkhouser and Lewis Norman, Well Cementing, Halliburton, 2010

8. E. Lécolier, A. Rivereau, G. Le Saoűt, A. Audibert-Hayet, Durability of Hardened Portland Cement Paste used for Oilwell Cementing, Oil & Gas Science and Technology – Rev. IFP, Vol. 62 (2007), No. 3, pp. 335-345, 2007

9.Baris Alp, Serhat Akin, Utilization of Supplementary Cementitous Materials in Geothermal Well Cementing, PROCEEDINGS, Thirty-Eighth Workshop on Geothermal Reservoir Engineering, 2013

10. Zheng Youzhi, She Chaoyi, Yao Kunquan, Guo Xiaoyang, Zhang Huali, Yang Tao, Li Ming, Contamination effects of drilling fluid additives on cement slurry, Natural Gas Industry B, 2015