Тампонажные цементы и растворы

 

Способность тампонажных цементов после затворения водой к структурообразованию и твердению (превращению в камень) обусловила их применение для цементирования скважин.

Природа сил, обусловливающих прочность тампонажного камня, имеет различные толкования, основанные как на кристаллизационной, так и на коллоидно-химической теории. В первом случае она объясняется срастанием кристаллов в местах контактов за счет ионно-химических связей, а во втором – сцеплением частиц благодаря ван-дер-ваальсовым поверхностным силам.

Существенное влияние на процесс твердения цементного камня оказывают температура и давление. Ускоряется гидратация, изменяется растворимость твердых веществ в жидкой фазе и др.

Конечные результаты формирования цементного камня в скважине определяются водоцементным отношением, температурой, давлением, природой цемента, количеством и природой химических реагентов (активаторов, заменителей, стабилизаторов). Именно в процессе формирования камня (цементного кольца) в скважине и совершаются процессы, которые приводят к образованию в нем флюидопроводящих каналов, дающих начало грозным явлениям – фонтанам и перетокам флюидов.

Формирование потока тампонажного раствора и «удобоукладываемость» в заколонном пространстве во многом зависит от его реологических свойств, которые могут быть улучшены применением различных реагентов.

Температура – главный фактор, резко изменяющий сроки схватывания и время загустевания тампонажных растворов. Давление оказывает меньшее влияние на сроки схватывания, хотя при увеличении давления до 60 МПа, сроки схватывания сокращаются вдвое. При одновременном воздействии температуры и давления сокращение сроков схватывания еще больше.

Одна из основных причин загустевания растворов – образование загущенных пачек смесей химически обработанных тампонажных и буровых растворов, резко повышающих давление продавки (необходимо применение буферных жидкостей).

Например, буровой раствор стабилизирован КМЦ и ингибирован солями кальция, а цементный раствор обработан гипаном – наблюдается сильное сгущение и необходимо применение буферной жидкости. Если растекаемость наиболее густой смеси какого-либо состава 16-18 см, то применение буферной жидкости при цементировании данной скважины необязательно.

Плотность растворов из тампонажных цементов с температурой 22 °С и 75 °С, затворенных водой в количестве 50 % (по массовой доле) равна 1, 83 – 1, 85 г/см³ и зависит от водоцементного отношения. Повышение плотности тампонажного раствора за счет уменьшения водоцементного отношения ограничивается его способностью прокачиваться и временем загустевания, которое при этом сокращается.

Механические свойства (прочность испытания на сжатие и изгиб) - это интегральный показатель качества цементного камня. Но весьма важно обеспечить получение непроницаемого коррозионно-устойчивого камня, формирующегося без усадки. Зная изменение прочности цементного камня в различных условиях можно проследить изменения в зависимости от температуры и т.д.

Газоводопроницаемость. После продавливания тампонажного раствора в заколонное пространство скважина останавливается в ожидании его затвердевания. При некоторых перепадах давления возможно движение флюидов из пласта в пласт по цементному раствору.

На проницаемость портландцементных образцов первостепенное влияние оказывает температура. Значительное влияние на изменение проницаемости цементного камня оказывает водоцементное отношение. Применение кварцевых добавок (SiO₂) способстует снижению проницаемости портландцементного камня, твердевшего при высоких температурах и давлениях, до значений близких к нулю.

Сцепление цементного камня со стенкой скважины и обсадными трубами. Качественная изоляция продуктивных горизонтов и крепление стенки скважины часто связывается со сцеплением твердеющего цементного раствора и камня с породами, составляющими разрез скважины. Процессы взаимодействия цемента с металлом и породой сложны и определяются как физико-химическими свойствами цемента, природой металла и пород, адгезией, химическим способом, так и условиями твердения цементного раствора.

Для оценки сцепления применительно к условиям работы цементного камня (кольца) в скважине при удержании им колонны, очевидно, приемлемым является метод выдавливания стального стержня из цементного образца, т.к. колонна также стремится сдвинуться вниз относительно цементного кольца.

Удержание колонны в статическом состоянии в скважине при наличии цементного камня в заколонном пространстве обусловливается, главным образом, силами трения, возникающими на поверхности «труба – цементный камень», а также многочисленными неровностями на трубах и непрямолинейностью колонны.

Тепловыделение при гидратации тампонажного цемента. Тепловыделение при гидратации цемента в растворах, закачанных в межколонное пространство, может привести к возникновению трещин в цементном камне и способствовать нарушению нормальной работы обсадной колонны.

Положительная роль тепловыделения проявляется при цементировании скважин в районах вечной мерзлоты и зонах, к ним прилегающих и препятствует преждевременному промерзанию твердеющего раствора. Пластифицирующие добавки создают препятствия для проникновения воды к цементным частицам в начале процесса, в результате чего замедляется процесс гидратации цемента.

Теплофизические свойства веществ связаны между собой следующим соотношением:

l = a × С × r,                                                             

 

где: l - коэффициент теплопроводности;    

       a - коэффициент температуропроводности;

       С – удельная теплоемкость;

       r - плотность вещества.

 

Цементно-бентонитовый камень характеризуется пониженными показателями теплопереноса по сравнению с цементным камнем без добавок, твердевшим в тех же условиях.

Осмос – это явление самопроизвольного проникновения (диффузии) растворителя через полупроницаемую перегородку. Осмотическое давление (по Вант-Гоферу):

 

p = i CRT,                                                                            

 

где i - изотонический коэффициент Вант-Гофера;

       С – концентрация раствора, моль/м³;

       R – универсальная газовая постоянная, Дж/(моль К);

       Т – температура раствора.

 

Осмос не является единственной и самостоятельной силой, обусловливающей потерю устойчивости пород в прискважинной зоне. Здесь еще действуют капиллярные силы, силы поверхностной гидратации и др.

Седиментация. Значительное количество воды принятое (50 %) для растворения тампонажных цементов, приводит к некоторым чрезвычайно нежелательным последствиям для герметизации заколонного пространства и разобщения пластов.

Твердые частицы раствора под действием силы тяжести стремятся сидементировать, подчиняясь не закону Стокса, а законам течения в капиллярно-пористых телах (М.Ф. Ли). Находясь в поле силы тяжести, твердая составляющая цементного раствора оседает, ломая связи по ограничивающим поверхностям вмещающего сосуда и уплотняясь в направлении дна. Происходит перераспределение частиц внутри системы, названное внутренней суффозией (Р.Р. Чумаев), которое создает предпосылки для образования в системе участков с повышенной и пониженной поверхностью.

Состояние тампонажного камня зависит от консистенции смеси к моменту схватывания. В результате неравномерного уплотнения смеси прочность и проницаемость меняются по высоте столба тампонажного камня.

Седиментационный раствор способствует повышению продольной проницаемости тампонажного камня.

Контракция тампонажных растворов при твердении. При гидратации цемента сокращается физический (абсолютный) объем системы «цемент-вода» за счет образования продуктов, обладающих меньшим физическим объемом исходных веществ. Это явление получило название контракции (снижение объема, А.Л. Ле Шателье). С увеличением температуры контракция возрастает, особенно в первой ее стадии. При затвердевании в цементном камне развивается вакуум и происходит засасывание флюида. Давление на процесс контракции оказывает незначительное влияние.

Напряжение в тампонажном цементном камне при его твердении. Практика применения цементного камня в различных областях техники показывает, что при отсутствии силовых и внешних температурных воздействий в нем возникает напряженное состояние. Напряжение, существующее в теле при отсутствии внешних воздействий называется собственными напряжениями (I, II, III рода) т.е. малоструктурные, микроструктурные и ультрамикроскопические.

При твердении цементного камня в заколонном пространстве собственные напряжения в камне должны уравновешиваться реакциями связей (колонны и стенки скважины) и вызывать давление на связи. Распределение давления в зоне цементирования тесно связано с качеством цементирования скважин. Возросшее число случаев цементирования скважин с использованием расширяющих цементов вызвало необходимость учета объемных изменений цементного раствора и камня.

Материалы и химреагенты для тампонажных растворов. Одним из основных этапов заканчивания скважин является цементирование скважин с использованием тампонажных цементов. Раствор, получаемый после затвердения тампонажного цемента водой, обработанный химическими реагентами для повышения качества раствора и камня или облегчения проведения технологического процесса, называют тампонажным.

Тампонажные растворы применяют для разобщения пластов в самых различных геолого-технических условиях: от минус 15 °С до плюс 250 °С и от 1, 5 МПа до 200 МПа и т.д.

Классификация тампонажных цементов (по ГОСТ 1581-95):

1 По вещественному составу: с добавками и без добавок.

2 По температуре применения: для низких температур (ниже 15 °С), для нормальных (15 – 150 °С); для умеренных (100 – 150 °С); для высоких (150 – 250 °С); для сверхвысоких – выше 250 °С); для циклически меняющихся температур.

3 По плотности: легкие (< 1400 кг/м³); облегченные (1400 - 1650 кг/м³); нормальные (1650 - 1950 кг/м³); утяжеленные (1950 - 2300 кг/м³); тяжелые > 2300 кг/м³.

4 По устойчивости тампонажного камня: устойчивые к хлоркальциевым и хлорнатриевым водам; к сульфатным водам; к кислым, углекислым, сероводородным, к магнезиальным, к полиминеральным водам.

Существуют тампонажные растворы на водно-солевой основе, на нефтяной основе, аэрированные, органоминеральные, быстросхватывающиеся составы для борьбы с поглощениями при бурении.

Тампонажный портландцемент – представляет собой продукт, состояший из смеси тонкомолотых вяжущих веществ, минеральных или органических добавок. Свойства этих цементов определяются важнейшими минералами, к которым относится трех- и двухкальциевый силикат (3CaO× SiO₂ и 2CaO× SiO₂) и др.

Добавки: диатомиты, трепелы, опоки, глиежи, вулканический пепел, туф, пемза.

Специальные тампонажные цементы. Широкое разнообразие геолого-технических условий вызывает необходимость разработки специальных тампонажных цементов.

1 Шлакопесочные. Вяжущим материалом является шлак, замедлителем – кварцевый песок; при температуре 200 °С и более применяются смеси на базе кислых доменных шлаков.

2 Шлакопортладцементы (t= 100-120 °С). В качестве интенсификатора твердения в шлаковые и шлакопесчаные растворы вводится портландцемент.

Номенклатура цементов: ШПЦС-120; 200 – совместного помола. УШЦ1-120;     2-120; 1-200; 2-200 (утяжеленные). Плотности 2, 06-2, 15; 2, 16-2, 30 г/см³.

Предел прочности на изгиб – 2, 07 МПа (не менее) – для низких и нормальных температур и не менее 3, 5 МПа – для умеренных температур. Для низкотемпературных – типа ЦТН.

Портландцемент аменитовый типа ПЦАТ (для нормальных температур).

ЦТПН (15-50 °С) – для скважин с циклически меняющимися температурами (закачка пара, внутрипластовое горение и т.д.).

БКЦ – белитокремнеземистый тампонажный цемент для высокотемпературных скважин.

Облегченные тампонажные цементы – для скважин, вскрывших зоны с АНПД (например ЦТО с перлитом, r=1, 35-1, 65 г/см³; ЦТОК – с повышенной коррозионной стойкостью; ОЦТ – для горячих скважин с АНПД.

Утяжеленные тампонажные цементы: ЦТУК-200; ЦТУК-120 – бесклинкерный, коррозионно-стойкий и др.

Расширяющие (при твердении тампонажные цементы):

- гипсоглиноземистый цемент;

- тампонажный цемент «Гидроцемент»;

- тампонажный цемент «ГАНГ».

Дисперсно-армированные тампонажные цементы характеризуются значительной прочностью на изгиб и сжатие, малой проницаемостью. Армирование производится волокнами (нейлон, полиэтилен, асбест, хлопок и др.).

Существуют нефтецементные растворы (на основе нефти или дизтоплива). Преимущество – несхватываемость при отсутствии воды и высокая прочность камня, вследствие взаимодействия с незначительным количеством воды.

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: