Лекция № 16. Общая характеристика применения ТР. Классификация ТМ.

Лекция № 16. Общая характеристика применения ТР. Классификация ТМ.

Тампонажные материалы представляют собой специальные материалы или составы, используемые для тампонирования - заполнения скважин или отдельных ее интервалов.

Загрузка...

Тампонажные составы со временем могут затвердевать с образованием тампонажного камня, либо загустевать или упрочняться, оставаясь вязкой или вязко-пластичной системой.

Поскольку разнообразны цели и методы применения ТМ, постольку различны и требования к ним. Важную роль играют горно-геологические условия строительства скважин. Эти условия усложняются по мере увеличения глубин и совершенствования технологии строительства скважин. В связи с этим предусмотреть все случаи и условия использования ТМ невозможно, поэтому главным требованием к ТМ является возможность регулирования их свойств в широких пределах.

В зависимости от назначения тампонирования ТМ выполняют различные функции. Рассмотрим их.

1. Изоляция интервалов залегания пластов с различными свойствами.

2. Защита обсадных труб от коррозии и повышение их устойчивостик нагрузкам. Пластовые воды часто имеют высокую минерализацию и поэтому обсадные трубы активно корродируют. Изоляция затрубного пространства исключает коррозию обсадных труб и повышает их устойчивость к различным нагрузкам.

3. Закрепление обсадных колонн производится для предупреждения обвалов стенок

скважин и для изоляции каверн и крупных трещин.

4. Ликвидация поглощения БР и водопроявления.

5. Ликвидация скважины. Производится после завершения бурения разведочных скважин.

Выбор и регулирование свойств ТМ определяются в основном условиями строительства скважины, изменяющимися в процессе строительства и эксплуатации в широких пределах по степени воздействия на ТР и ТК.

К наиболее важным факторам, определяющим выбор ТМ., следует отнести температуру, перепад температур между верхней и нижней отметками глубины расположения ТР.

Температура ОС определяет в основном выбор того или иного ТМ а перепад температур – выбор рецептуры ТР, т.к. рецептура постоянного состава, выбранная для одной операции и ориентированная в основном на максимальную статическую температуру, приводит к тому, что ТР затвердевает не в одно и то же время, а верхние участки его могут не схватиться. Осложняющим фактором является колебания температуры, вызывающие фазовые переходы в поровой среде – кристаллизацию из раствора, замерзание воды, вскипание поровой жидкости.

Важное значение как для технологии Т. работ, так и для твердения камня из раствора имеет давление. Встречаются пласты, когда давление флюидов превышает обычное в 1.3 – 2 раза. Такое давление называют аномально высоким пластовым давлением (АВПД). В случае АВПД жидкость или газ в поровом пространстве пород пласта находится частично под действием горного давления. На величину АВПД влияет также повышение температуры окружающих пород.

Очень часто при тампонажных работах встеречаются пласты с пониженным давлением. На процесс твердения и долговечность ТМ значительно влияет перепад давления между отдельными частями скважины, вызывающий движение ТМ, а также вдоль поверхности контакта его с ОС или ругими частями скважины. Фильтрация жидкостей или газов через малопрочный ТМ при водит к его размыву, а в прочном тампонажном камне может вызвать коррозионные процессы, способствующие проникновению вглубь его растворенных агрессивных компонентов.

Одним из важнейших факторов, определяющих выбор вида и состава ТМ, является химический состав ОС, особенно наличие в ней воды, хорошо растворимых солей и кислых газов. Это главный фактор, влияющий на долговечность ТМ.

В настоящее время в качестве ТМ широко применяются различные вещества, обеспечивающие твердение, например, минеральные вяжущие вещества, образующие при смешении или так называемом затворении с водой или водными растворами солей нерасслаивающиеся суспензии, способные к затвердеванию. Природа твердения таких суспензий сложна и многообразна и связана с химической реакцией между частицами порошка (твердой фазы суспензии) и жидкостью затворения.

Химические вещества, обеспечивающие затвердение ТР, называются базовыми ТМили базовыми ТЦ. Вещества, вводимые для регулирования свойств ТР или образующегося затвердевающего ТМ, называют добавками. ТМ, содержащие добавки, называются модифицированными. Модифицированные добавки можно вводить в порошкообразный ТМ, в жидкость затворения или в приготовленный ТР.

Классификация ТМ и ТР

Тампонажные цементы (ТЦ) классифицируют по следующим признакам:

· виду клинкера и составу основных компонентов,

· температуре применения,

· средней плотности тампопажного цементного теста,

· устойчивости к воздействию агрессивных пластовых вод,

· объемным деформациям при твердении.

По виду клинкера и составу основных компонентов тампонажные цементы подразделяют па:

· тампонажные цементы па основе портландцементного клинкера,

· тампонажные цементы на основе глиноземистого клинкера,

· тампонажные цементы бесклинкерные.

Тампонажные цементы на основе портландцементного клинкера по вещественному составу в зависимости от содержания и вида добавок подразделяют на:

· тампонажный портландцемент бездобавочный;

· тампонажный портландцемент с минеральными добавками;

· тампонажный портландцемент со специальными добавками, регулирующими свойства цемента. Перед наименованием такого цемента добавляется наименование добавки.

По температуре применения (°С) тампонажные цементы подразделяют на цементы для:

· низких температур — ниже 15,

· нормальных температур — от 15 до 50,

· умеренных температур — от 50 до 100,

· повышенных температур — от 100 до 150,

· высоких температур — от 150 до 250,

· сверхвысоких температур — выше 250,

· циклически меняющихся температур.

По средней плотности тампонажного цементного теста (г/см³) цементы подразделяют на:

· легкие — ниже 1, 40,

· облегченные — от 1, 40 до 1, 65,

· нормальные – от 1, 65 до 1, 95,

· утяжеленные —от 1, 95 до 2, 30,

· тяжелые — выше 2, 30.

По устойчивости тампонажного камня к воздействию агрессивных пластовых вод тампонажные цементы подразделяют на:

· цементы, к которым не предъявляюттребований по устойчивости тампонажного камня к агрессивности пластовых вод,

· устойчивые к сульфатным пластовым водам,

· устойчивые к кислым (углекислым, сероводородным) пластовым водам,

· устойчивые к магнезиальным пластовым водам,

· устойчивые к полиминеральным пластовым водам.

По объемным деформациям тампонажного камня при твердении в водной среде в 3-суточном возрасте цементы подразделяют на:

· цементы, к которым требования ну предъявляют,

· безусадочные с расширением не более 0, 1%,

· расширяющиеся с расширением более 0, 1%.

В зависимости от жидкости затворения тампонажные растворы могут быть разделены на водные, водоэмульсионные, нефтецементные (дизельное топливо, керосин, нефти и др.)

По роду добавок-наполнителей тампонажные цементы разделяются на песчаные, волокнистые, гельцементые, пуццолановые, перлитовые, гематито-магнетитовые, бентонитовые и др.

Различают тампонажные растворы обычные и с пониженной водоотдачей.

По срокам схватывания тампонажные растворы могут быть разделены на быстросхватывающиеся с началом схватывания раньше 0 ч 40 мин, ускоренно схватывающиеся с началом схватывания 0 ч 40 мин – 1 ч 20 мин, нормально схватывающиеся с началом схватывания более 4 ч 30 мин.

Цементы могут быть выделены по прочности камня и времени ее достижения: с высокой начальной прочностью и обычные.

В США выпускаются цементы семи классов, применяющиеся для цементирования скважин различной глубины с высокой и низкой забойными температурами. К некоторым цементам предъявляются требования высокой начальной прочности, повышенной сульфатостойкости и т. д. Цементы всех классов имеют основой портландцемент и поэтому для применения при высоких температурах и давлениях требуют введения замедлителей сроков схватывания. Кроме основных цементов, выпускаемых промышленностью США, соответствующие фирмы совместно с научно-исследовательскими организациями производят в небольших количествах как модифицированные (с различными добавками и наполнителями), так и бесклинкерные цементы применительно к конкретным условиям.

Свойства цементного камня

Цементным камнем называется пористое твердое тело, образующееся при затвердевании ТР.

Разнообразные тампонажные материалы образуют цементные камни с различными свойствами, однако общим для них является изменчивость свойств во времени. При затвердевании всех тампонажных материалов образующийся цементный камень с той или иной скоростью проходит стадии структурообразования и затем деструкции, в ходе которых все свойства цементного камня непрерывно изменяются.

Свойства цементного камняявляются функцией пористости, прочности элементов твердой фазы и контактов между ними, дисперсности и морфологии частиц твердой фазы.

Пористость зависит от исходного водоцементного отношения, состава новообразований, их удельного объема и степени гидратации.

Прочность элементов твердой фазы, прочность контактов между ними, дисперсность и морфология их частиц зависят от их состава и условий образования в твердеющем цементном камне.

Зная степень гидратации, удельные объемы соответственно продуктов гидратации, исходного цемента, инертного наполнителя и жидкости затворения, отношение химически связанной воды к массе цемента, а также отношение массы инертного наполнителя и массы жидкости затворения к массе цемента можно рассчитать пористость или коэффициент пористости.

К эффективной пористости, доступной для фильтрации жидкостей и газов, относятся поры размером более 20 нм.

Прочность цементного камня.Эта характеристика ЦК нестабильна во времени, особенно в условиях повышенных температур. В зависимости от минералогического состава, тонкости помола, исходного водосодержания суспензии кинетика роста прочности ЦК до максимальной величины, максимальная его прочность, момент начала снижения прочности, кинетика снижения прочности изменяются в довольно широких пределах.

Затвердевший цементный камень из базового ТЦ состоит из непрореагировавших остатков частиц ПЦ клинкера, продуктов гидратации, частиц инертных или не вступивших в реакцию остатков частиц активных добавок, воды и пузырьков вовлеченного воздуха. Всегда в том или ином количестве содержится карбонат кальция, как продукт карбонизации — реакции взаимодействия продуктов гидратации с газообразным или растворенным оксидом углерода (углекислым газом). Могут содержаться также продукты взаимодействия продуктов гидратации с другими химически активными веществами окружающей среды, обычно называемые продуктами коррозии.

Прочность ЦК на стадии ее роста может быть рассчитана по формуле, учитывающей коэффициент, отражающий прочность монокристаллов или их сростков, эмпирические коэффициенты, связанные с составом, дисперсностью и морфологией частиц новообразований, степень гидратации, удельные объемы соответственно исходного цемента, жидкости затворения и инертного наполнителя, а также отношение массы жидкости затвердевания и массы инертного наполнителя к массе цемента. При кавернозной поверхности наполнителя (типа керамзита), длинноволокнистом армирующем наполнителе, рассчитать прочность по такой формуле невозможно, поскольку в таком случае необходимо введение дополнительных коэффициентов.

Если известен количественный вещественный состав ТЦ, то расчет ожидаемой прочности может быть произведен более точно в соответствии с эмпирическими коэффициентами для главной структурообразующей фазы. Другие новообразования следует относить к наполнителю.

Водопроницаемость цементного камня может быть ориентировочно вычислена по формуле:

k = 0.182 ε _эф^4.7 R_эф²

где k — коэффициент водопроницаемости, м²; ε _эф — коэффициент эффективной пористости, доли единицы; R_эф — средняя полуширина (средний радиус) эффективных пор, м.

Усадка и набухание в процессе твердения . Цементный камень при твердении в воде несколько увеличивается в объеме, при твердении на воздухе или в другой среде пониженной относительной влажности дает усадку.

Как капиллярно-пористое тело ЦК чувствителен к изменению влажности ОС. При неограниченном поступлении воды извне в поровое пространство ЦК в процессе твердения наблюдается некоторое увеличение внешнего объема ЦК, называемое набуханием. Удаление воды из пор ЦК при водит к уменьшению его объема, называемому усадкой. Она связана с капиллярными явлениями, а также сжатием слоистых минералов при удалении межслоевой воды. Усадка, как и набухание, зависит от минералогического состава клинкера и содержания добавок. Склонность к этим деформациям возрастает при увеличении содержания алюмоферритных минералов и тонкодисперсных наполнителей, таких, как глина, диатомит, опока, трепел. В отличие от контракции изменения внешнего объема ЦК больше связаны с явлениями физического, чем химического, характера.

С повышением температуры твердения способность ЦК к усадке и набуханию уменьшается. Некоторые цементы при повышенных температурах твердеют с усадкой даже в воде. Усадочные деформации ЦК тампонажных цементов нежелательны ввиду особой важности его изоляционных функций.

Расширяющиеся ТЦ.

Термостойкие ТЦ

Важнейшее условие термостойкости ЦК — образование в процессе его затвердевания термодинамически устойчивых в данных гидротермальных условиях соединений. Кроме того, необходимо, чтобы эти соединения обладали хорошими структурообразующими свойствами, — без этого нельзя получить высокую прочность и низкую проницаемость образующегося пористого тела. Хорошие структурообразующие свойства имеют кристаллы с высокой степенью дисперсности и анизодиаметричности формы и с выраженной способностью к образованию фазовых контактов — контактов срастания. Желательно, чтобы эти устойчивые соединения образовывались не из промежуточных так называемых метастабильных соединений, а сразу же на первых стадиях процесса твердения. Каждый процесс перекристаллизации в уже сформировавшейся структуре цементного камня сопровождается ее разупрочнением. Наименее термостойки ГЗЦ и ГГЗЦ.

ЦК из многих ТЦ имеет тенденцию к деформациям усадки, что нежелательно для тампонажных работ. Поэтому целесообразно было бы придать различным по составу тампонажным цементам свойство расширения при затвердевании. Важно отметить, что величина расширения тампонажных цементов должна быть значительно большей по сравнению, например, со строительными. Поперечное сечение цементного камня в конструкциях скважин, шахтной крепи и других подземных сооружениях сравнительно невелико. Для эффективного уплотнения фильтрационной корки промывочных жидкостей на пористых горных породах и контакта с рыхлыми породами величина расширения камня зависит от соотношения толщин цементного камня и фильтрационной корки.

Как известно, ЦК представляет собой пористое тело. Изменение внешнего объема его может происходить без изменения истинной плотности отдельных фаз за счет изменения соотношения объемов фаз с различной плотностью, а именно, за счет увеличения объема порового пространства. Такое расширение ЦК может быть следствием действия собственных напряжений, вызывающих деформацию структуры. Если эти напряжения возникают в достаточно малых объемах и дезориентированы, то происходит равномерное всестороннее «раздвижение» элементов структуры ЦК, называемое расширением.

Известны различные виды РЦ. Например, водонепроницаемый расширяющийся цемент (ВРЦ) и напрягающий цемент (НЦ).

ВРЦ изготовляется тщательным смешением или совместным помолом 70 – 75 % ГЗЦ, 20 – 22 % полуводного гипса и 10 – 11 % высокоосновного гидроалюмината кальция (4СаО А1₂О₃ 13Н₂О).

НЦ изготовляют путем тонкого совместного помола ПЦ клинкера, ГЗЦ и гипсового камня, обычно в соотношении 70: 15: 15.

ВРЦ и НЦ расширяются благодаря образованию в них вначале моносульфоалюмината кальция, а затем высокосульфатной формы гидросульфоалюмината кальция.. Последний, образующийся в 1 – 3 сутки твердения расширяющегося цемента, т.е. когда камень еще не затвердел, способствует равномерному расширению.

При креплении нефтяных и газовых скважин часто применяют смесь ТПЦ и ГГЗЦ в соотношениях 75 – 85 и 25 – 15 %. Расширение при этом достигает 2 %.

Применяются также другие цементы, например, ТЦ Гипроцемента с добавками обожженных магнезита и доломита. Он обеспечивает расширение до 0.5 % в течение 48 часов.

Облегченные ТЦ и ТР.

Модифицированные ТМ.

Цель модификации ТМ — приведение в соответствие свойств базовых ТЦ и приготовляемых из них растворов с условиями применения. Это касается, прежде всего регулирования плотности ТР, а также скорости схватывания и твердения, реологических свойств.

Модифицировать можно на стадии производства ТЦ путем введения твердых порошкообразных добавок, введением диспергируемых (в том числе чаще всего растворяемых) в жидкости затворения реагентов, путем аэрирования раствора и т. д. Некоторые коррозионностойкие, термостойкие и расширяющиеся ТЦ, по существу, являются модифицированными. Однако они включены в раздел базовых, так как могут подвергаться модификации. Рассмотрим это.

ТР представляют собой многокомпонентные системы, плотность (объемная масса) которых зависит от плотности входящих в них компонентов и объемного (или массового) их соотношения. Уменьшить плотность ТР можно увеличением содержания жидкости затворения по отношению к твердым фазам, если жидкость затворения имеет меньшую плотность, или путем замены:

· части или всей жидкости затворения жидкостью меньшей плотности;

· всего или части вяжущего вещества вяжущим веществом меньшей, плотности;

· всей или части добавки добавкой меньшей плотности;

· части вяжущего вещества специальной добавкой, обладающей меньшей по сравнению с ним плотностью;

· части объема твердых и (или) жидких фаз газообразной фазой.

Выбор того или иного способа снижения плотности определяется условиями применения, технологическими возможностями, экономической целесообразностью. При использовании ТМ на основе минеральных вяжущих веществ возможности регулирования плотности выбором их вида ограничены, если ориентироваться только на величину их плотности.

Допустим, необходимо снизить плотность ТР на основе портландцемента с 1830 кг/м³ при В/Ц – 0, 5 до 1500 кг/м³. Этого можно добиться путем замены или 90 % ПЦ клинкера самой легкой из минеральных добавок — пылевидной золой, или 46 % клинкера порошкообразным каменным углем — самой доступной из органических добавок, или введением 20 % газовой фазы к первоначальному объему раствора, или увеличением водосодержания до В/Ц= 1, 05.

Гельцементные растворыотносятся к облегченным ТР.Это растворы, содержащие в качестве облегчающей добавки высококоллоидальные, главным образом монтмориллонитовые (бентонитовые) глины. Эти глины имеют плотность 2300—2600 кг/м³ и вводятся обычно в количестве до 20 % от массы твердой фазы. Поэтому снижение плотности за счет введения менее плотного компонента твердой фазы невелико и достигается в основном за счет значительного увеличения водосодержания гельцементных растворов по сравнению с обычными. Добавка к ТЦ 5—6 % высококачественного бентонита позволяет приготовить седиментационноустойчивые растворы с В/Т = 0, 7 – 0, 75, имеющие плотность 1600—1700 кг/м³. Введение 20—25% бентонита позволяет применять В/Т= 1, 3 – 1, 5 и получать плотность растворов 1300— 1400 кг/м³.

Седиментационная устойчивость сильно разбавленных гельцементных растворов обусловлена высокой дисперсностью частиц монтмориллонита в воде особыми свойствами их поверхности и формой (высокой анизометричностью), что в совокупности обеспечивает высокую структурообразующую способность. Хорошо диспергированный бентонит образует в цементном растворе самостоятельную коагуляционную структуру, в которой взвешены частицы цемента. Впоследствии эта структура разрушается в результате коагулирующего действия иона кальция и заменяется структурой твердеющего цементного камня.

При водосодержании гельцементных растворов, обеспечивающем консистенцию раствора, равную обычному ТПЦ при В/Ц = 0, 4 – 0, 5, начальная скорость водоотдачи оказывается в несколько раз ниже. Добавка бентонита в значительно большей степени повышает сопротивление фильтрации, чем эффективную вязкость, что может быть объяснено ярко выраженной тиксотропией коагуляционных структур монтмориллонита.

Гельцементные растворы пониженной плотности можно приготовлять тремя способами: затворением на воде сухой смеси цемента и глинопорошка, затворением цемента на заранее приготовленной и необходимое время выдержанной глинистой суспензии (глинистом растворе) и смешиванием глинистого и цементного растворов. При втором и третьем способах для достижения равной седиментационной устойчивости достаточно в 2—3 раза меньшего количества добавки.