Какой должна быть минимальная температура тампонажного раствора

Функции тампонажных растворов. Требования, предъявляемые к тампонажному раствору и тампонажному камню.

Основными функциями, выполняемыми ТР при сооружении скважин, являются следующие:

закрепление обсадных колонн и защита их от коррозионного воздействия пластовых флюидов;

изоляция друг от друга и от дневной поверхности пластов, содержащих различные виды флюидов (вода, нефть, газ) или один вид флюида с разными свойствами;

создание искусственных забоев и разделительных пробок или перемычек в стволе скважины с целью забуривания нового ствола, перехода на вышележащий объект, ликвидации проявлений, консервации скважины и др.;

ликвидация поглощений бурового раствора;

закрепление стенок скважин в потенциально неустойчивых породах.

ТР должен удовлетворять следующим требованиям:

легко прокачиваться цементировочными агрегатами в течение времени, необходимого для транспортирования его в заданный интервал скважины;

обладать минимальной фильтрацией для сохранения высокой проницаемости приствольной зоны продуктивного пласта и предотвращения преждевременного загустевания при течении в затрубном пространстве;

быть седиментационно устойчивым с тем, чтобы в состоянии покоя в нем не образовывались каналы, заполненные дисперсионной средой;

быть химически инертным по отношению к металлу, горным породам, пластовым флюидам и буровому раствору;

по окончании транспортирования в заданный интервал скважины максимально быстро превращаться в ТК;

легко смываться с технологического оборудования;

ТК должен удовлетворять следующим требованиям:

быть высоко эластичным (трещиностойким) для предотвращения его разрушения при динамических нагрузках, в частности, при перфорации;

быть коррозионно- и термостойким;

обладать хорошей сцепляемостью (адгезией) с металлом и горными породами, слагающими стенки скважины;

не давать усадки при твердении;

быть практически непроницаемым для жидкостей и газов;

быть достаточно прочным и в то же время легко разбуриваться.

Краткая характеристика глиноземистого цемента, цемента на основе металлургических (доменных) шлаков, магнезиального цемента и добавок к вяжущим веществам.

Глиноземистый цемент

Получают обжигом сырьевой смеси, состоящей из известняка и бокситов (руда, содержащая 28…52 % Al2O3).

Химический состав смеси:

CaO — 35…45 %; SiO2 — 5…15 %; Al2O3 — 30…50 %; Fe2O3 — 5…15 %.

Глиноземистый цемент, особенно при низких температурах, твердеет значительно быстрее, чем портландцемент, а получаемый при этом тампонажный камень имеет в несколько раз большую прочность, существенно меньшую проницаемость и повышенную коррозионную устойчивость к агрессивным средам.

Высокая прочность тампонажного камня сохраняется длительное время только при отсутствии поровой жидкости (в сухих условиях) и пониженных температурах (20…25 ºС). Глиноземистый цемент дефицитен, поэтому чаще всего применяется в смеси с портландцементом при соотношении 1 : 5 или 1 : 4.

Цемент на основе металлургических (доменных) шлаков

Получают при охлаждении расплава, образованного примесными минералами руд, флюсов и золы топлива при выплавке чугуна. По химическому составу близок к портландцементу, отличаясь от него обычно меньшим содержанием оксида кальция (40…50 %) и отсутствием оксида железа.

В отличие от портландцемента очень медленно твердеет в нормальных условиях, но при температуре порядка 100 ºС и выше процесс твердения идет интенсивно с образованием прочного ТК, очень стойкого к полиминеральной агрессии.

Магнезиальный цемент

Получают обжигом магнезита (MgCO3) или доломита (MgCO3 ·CaCO3).

Очень медленно твердеет при затворении водой, поэтому его затворяют водным раствором MgCl2 и применяют для тампонирования тех участков ствола скважины, которые сложены солями магния (карналлит, бишофит).

Тампонажный камень из всех других минеральных вяжущих веществ в контакте с солями магния разрушается.

Требование к ним

Исходя из основных: функций образующегося в скважине цементного камня и, принимая во внимание особенности технологии процесса цементирования, к тампонажному раствору и формирующемуся из него камню предъявляются следующие требования.

Тампонажный раствор должен легко быть прокачиваемым. Прокачиваемость тампонажных растворов условно характеризуется растекаемостыо по конусу АзНИИ, консистенцией в условных единица, динамическим напряжением сдвига и структурной вязкостью. Плотность цементного раствора должна быть выше плотности промывочной жидкости, вместе с тем давление на стенки скважины при цементировании не должно превышать давление гидроразрыва пласта.

Отделение фильтрата из тампонажного раствора должно бытьминимальным, это диктуется необходимостью предотвратить загрязнение приствольной зоны пласта, преждевременное загустевание раствора.

Тампонажные растворы должны быть седиментационно-устойчивыми, что способствует формированию цементного камня с одинаковой плотностью по всему зацементированному интервалу, снижает вероятность образования каналов в камне и на контактах со стенкой скважины.

Прокачиваемость тампонажного раствора должна сохраняться в течение времени, достаточного для проведения цементирования. После продавливания тампонажного раствора за обсадную колонну, он должен быстро загустевать и схватываться.

Цементный камень должен быть практически непроницаемым. Свойства цементного камня не должны ухудшаться со временем под действием высоких (низких) температур и давлений, а также при воздействии агрессивных по отношению к продуктам твердения пластовых флюидов. При переходе тампонажного раствора в камневидное состояние, не должна происходить его усадка. Тампонажный камень и раствор не должны вступать в физико-химическое взаимодействие с. горными породами и обсадными колоннами, влекущее разрушение и понижение прочности последних.

Указанные свойства цементного раствора (камня) зависит от его вида, жидкости затворения, водотвердого отношения, условий твердения и регулируются добавками-ускорителями и заменителями схватывания, облегчающими добавками, реагентами — пластификаторами и, др.

По ГОСТ 25597-83 тампонажные цементы подразделяются по следующим признакам: вещественный состав цемента; температура применения цемента; платность тампонажного раствора; стойкость к виду агрессивного воздействия; собственны объемные деформации цементного камня.

По вещественному составу тампонажные цементы разделяются на следующие группы: портландцементы без добавок (кроме гипса); портландцементы с минеральными добавками более 20 %, портландцементы со специальными добавками 20 — 30 %; цементы на основе глиноземистого клинкера; безклинкерные цементы.

По температуре (°С) применения тампонажные цементы разделяются на следующие группы:

для низких температур 15

для нормальных температур 15-50

для умеренных температур 50-100

для повышенных температур 100-150

для высоких температур 150-250

для сверхвысоких температур 250

для циклически меняющихся температур

По плотности (кг/м 3 ) получаемого тампонажного раствора тампонажные цементы подразделяются на следующие группы:

По стойкости к агрессивному воздействию на тампонажный камень пластовых сред тампонажные цементы разделяются на следующие группы: стойкие к сульфатным средам; стойкие к кислым средам; стойкие к магнезиальным средам; стойкие к полимерным средам.

По величине собственных объемных деформаций при твердении: без особых требований; величина линейной деформации после 3 суток твердения до 0,1 % — безусадочные; величина линейной деформации расширения после 3 суток твердения более 0,1 % — расширяющиеся.

В настоящее время для цементирования скважин широко используются тампонажные портландцементы ГОСТ 1581-91 и их разновидности, а также специальные цементы серийно выпускаемые промышленностью.

Тампонажный портландцемент имеет несколько разновидностей, объединенных тем, что содержание в них портландцементного клинкерасоставляет не менее 30 %.

Тампонажные портландцементы делятся на базовые и специальные цементы, серийно выпускаемые промышленностью. Базовые тампонажные портландцементы содержат клинкера не менее 95 % (ПЦТ-ДО) или не менее 75 % (ПЦТ-Д20) и могут применяться как в готовом виде для приготовления тампонажных растворов, так и в качестве основы для приготовления специальных тампонажных цементов.

В ГОСТ 1581-85 введены сокращенные обозначения тампонажных портландцементов: Портландцементная основа ПЦТ; количество добавок указывается приставками: Д0 — бездобавочный; Д20, Д50, Д75 с минеральными добавками соответственно 20, 50 или 75%, например, ПЦТ-Д0 или ПЦТ-Д20.

Вид специальных; добавок вводимых в количестве более 20% определяется сокращениями "ут" — утяжеленный, "тж" — тяжелый, "обл" -облегченный, "пес" — песчанистый. В обозначении тампонажного портландцемента ПЦТ-Д50 сокращения "пес" может отсутствовать.

Например, ПЦТ-70 обл. обозначает, что имеется в виду портландцемент облегченный, в котором облегчающая добавка может достигать до 70%. Гидрофобизируюшая добавка (для улучшения сохранности) обозначается "Гф", например, ПЦТ-Д0-50 Гф.

Рекомендуемый температурный интервал применения указывается дополнительной приставкой после указания количества добавок. К обозначению цемента для низких и нормальных температур прибавляется 50, для умеренно высоких температур — 100, а для повышенных температур — 150.

Тампонажные портландцементы и их разновидности выпускаются согласно ГОСТ 1581-85 и изготовляются измельчением портландцементного клинкера, гипса и добавок, предусмотренных стандартом или без добавок.

Утяжеленный тампонажный портландцемент получают введением утяжеленных добавок (не более 70 %); песчанистый тампонажный цемент — введением кварцевого песка (не менее 20 % и не более 50 %); солестойкий тампонажный цемент — введением шлака (не менее 35 % и не более 50 %), активных минеральных добавок (не более 20 %) или же кварцевого песка не менее 20 % и не более 25 %, кроме этого он должен содержать натриевое жидкое стекло в количестве не менее 1,0 и не более2,5 % в перерасчете на сухое вещество Гигроскопический тампонажный цемент получают введением гидрофобизатора триэтаноламита не менее 0,025 и не более 0,05 % от массы цемента в пересчете на сухое вещество.

Требования ГОСТ 1581-85 к показателям качества тампонажных портландцементов.

Тонкость помола, тампонажных портландцементов всех видов для низких и нормальные температур должна быть такой, чтобы при просеивании через сито с сеткой № 008 проходило не менее 65 % цементов для умеренных и повышенных температур не менее 80 % массы просеиваемой пробы.

Содержание ангидрида серной кислоты (SO₃) во всех тампонажных портландцементах должно быть не более 3,5 % по массе:

растекаемость цементного раствора, см 18

тяжелого более 2300

Коэффициент водоотделения тампонажных растворов из портландцементов должен быть не более, %:

ПЦТ-Д70 обл. и пес. 3,5:

Сроки схватывания тампонажных портландцементов приведены в таблице

Цемент	Температура испытания, °С	Сроки схватывания ч-мин
начало не ранее	конец не позднее
Для низких и нормальных температур	22±2	2-00	10-00 х 18-00 хх
Для умеренных и повышенных температур	1-45	5-00 х 8-00 хх 6-00 ххх

х — Д0 и Д20; ххх — утяжеленные и песчанистые; хх — облегченные тампонажные.

Предел прочности при изгибе образцов из тампонажного портландцемента должен быть не менее указанных в таблице.

Требования к прочности при изгибе образцов из тампонажных портландцементов

Название тампонажного портландцемента (ГОСТ 25597-83)	Срок твердения, сут.	Предел прочности при изгибе (МПа) образцов из портландцемента
тампонажного Д0 и Д20	облегченного	утяжеленного
Для низких и нормальных температур	2,7	0,7	1,0
Для умеренных и повышенных температур	3,5	—	—

Цемент, которому в установленном порядке присвоена высшая категория качества, должен удовлетворять дополнительным требованиям, указанным в таблице.

Дополнительные требования к тампонажным портландцементам высшей категории качества

Вид цемента	Разновидность	Скв. ч-мин не позднее	Изгиб МПа через 1 сут.	Сжатие МПа через 2 сут
Портландцемент тампонажный бездо-бавочный и с мине ральными добавками	ПЦТ-Д20-50 ПЦТ-Д20-50 ПЦТ-Д0-Д100 ПЦТ-Д20-Д100	— — — 21,0	9-00 4-30	— 4,5	— —
Портландцемент тампонажный облегченный	ПЦТ-Д70-50обл. ПЦТ-Д70-100обл	— —	16-00 —	— —	—
Портландцемент тампонажный утяжеленный	ПЦТ-Д70-50ут. ПЦТ-Д70-100ут.	— —	10-00 5-30	— —	— —

Для проверки сроков схватывания и прочности камня при изгибе по ГОСТ 1581-91 используют цементное тесто:

— в случае тампонажного и низкогигроскопического портландцементов с водоцементным отношением (В/Ц) 0,5;

— в случае остальных видов тампонажных портландцементов (В/Ц) подбирают таким, чтобы растекаемость раствора была не менее 180 мм и не более 220 мм.

Гарантийный срок — один месяц для всех цемёнтов, а для низкогигроскопического два месяца со дня изготовления.

Тампонажные спеццементы, серийно выпускаемые промышленностью.

Цель модификации тампонажных материалов — приведение в соответствие свойств базовых тампонажных цементов и приготовляемых из них растворов с условиями применения. Это касается, прежде всего, регулирования плотности тампонажных растворов, их реологических свойств, а также скоростей схватывания и твердения.

Цемент тампонажный облегченный (ОЦГ), ТУ 39-01-08-469-79 предназначен для цементирования скважин в пределах геостатических температур 30-150°С. ОЦГ — гидравлический вяжущий материал, полученный совместным измельчением портландцемента (не более 40 %), трепела (не более 45 %) и доменного гранулированного шлака(не более 20 %) и тщательным их смешиванием в сухом виде.

Технические требования к ОЦГ приведены в таблице. Рекомендуемое водотвердое отношение 0,95-1,20. Выход раствора из 1т. цемента в зависимости от В/Т от 1,20 до 1,40 м 3 .

Требования к тампонажному цементу О.Ц.Г.

Показатель	Нормативный показатель	ГОСТ на испытание образцов
Удельная поверхность цемента, м 2 /кг	1000 ± 300	310.2-76
Плотность цементного раствора, кг/м 3	I450 ± 50	26798.1-85
Время загустевания, мин	26798.1-85
Предел прочности при изгибе образцов цементного камня, МПа	1,1	26798.1-85

Примечание: время загустевания цементного раствора определялось при температуре 75±3°С и атмосферном давлении; продолжительность твердения образцов цементного камня составляла 48±2ч; предел прочности образцов при изгибе определяли при температуре 75±3°С и атмосферном давлении.

Тампонажные шлакопесчаные цементы типа ШПЦС (OCT 39-017-80) предназначены для цементирования нефтяных и газовых скважин и для изоляции соленоносных отложений. В зависимости от условий применения цементы подразделяются на две марки:

ШПЦС-120 — для скважин с забойными температурами 80-160°С;

ШПЦС-200 — для скважин с забойными температурами 160-250°С

Шифр означает: Ш -шлак, П — песок, Ц — цемент, С — совместный помол.

Тампонажные шлакопесчаные цементы — гидравлические вяжущие вещества, получаемые совместным измельчением высушенного гранулированного доменного шлака (не более 70 %) и кварцевого песка (не более 50 %) с последующим добавлением для цемента марки ШПЦС-120 портландцемента (не более 20 %). Технические требования к ШПЦС приведены в таблице.

Продолжительность твердения образцов тампонажного камня 24 ч. Гарантийный срок хранения цемента — 4 месяца со дня изготовления. Рекомендуемое водотвердое отношение: 0,43 для ШПЦС-120 и 0,40 для
ШПЦС-200. Выход раствора из 1т цемента в зависимости от В/Т: 0.75-0,78 м 3 для ШПЦС-120, 0.70-0,75 м 3 для ШПЦС-200.

Технические требования к тампонажным цементам типа ШПЦС

Параметр	Норма для цемента марки	ГОСТ на испытание образцов
ШПЦС-100	ШПЦС-200
Удельная поверхность цемента, м 2 /кг	250,0	250,0	310.2-76
Растекаемость тампонажного раствора, см, не менее	18,0	18,0	26798.1-85
Сроки схватывания тампонажного раствора
Предел прочности цементного камня при изгибе через 24 ч твердения, МПа, не менее	2,5	4,5	26798.2-85

Примечание: 1. Режим схватывания при определении сроков схватывания цементного раствора должен соответствовать указанному ниже:

марка цемента ШПЦС-120 ШПЦС-200

температура,°С 90±3 160±3

давление, МПа 40±2 60±3

2. Режим твердения при определении предела прочности образцов тампонажного камня должен соответствовать:

марка цемента ШПЦС-120 ШПЦС-200

температура,°С I20±3 200±3

давление, МПа 40±2 60±3

Тампонажный утяжеленный цемент типа УЦГ (ТУ 39-01-08-535-80) предназначен для цементирования нефтяных и газовых скважин с аномально высокими пластовыми давлениями, в том числе для изоляции пластов соленоносных отложений в пределах геостатических температур 20-100 O C.

В зависимости от плотности тампонажногораствора УЦГ, подразделяется на две марки УЦГ-1, обеспечивающий получение тампонажного раствора плотностью 2060-2150 кг/м 3 и УЦГ-2, обеспечивающий получение тампонажного раствора плотностью 2160-2300-кг/м 3 .

УЦГ — гидравлическое вяжущее вещество, получаемое смешением портландцемента (не менее 20 %)с раздельно или совместно измельченными железной рудой (не более 75 %) и доменным гранулированным шлаком (не более 20 %) или без него. Технические требования к УЦГ приведены в таблице.

Гарантийный срок хранения цемента — 3 месяца со дня изготовления. Рекомендуемое водотвердое отношение: 0,35 для УЦГ-1 и 0,33 дляУЦГ-2. Выход раствора из 1 т цемента в зависимости от В/Т 0,62 — 0,64м 3 ,для УЦГ-2 0,58-0,6 м 3 .

Цемент тампонажный для циклически меняющихся температур типа ЦТПН (ТУ-39-1057-85) предназначен для цементирования скважин при разработке нефтяных месторождений термическими методами: нагнетание пара с температурой рабочего агента до 350°C.

ЦТПН — гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем совместного тонкого помола высушенного гранулированного доменного шлака (не более
30 %), кварцевого песка (не более 30 %) и портландцементного клинкера (не более 60 %) или смешением совместно измельченных кварцевого песка и шлака с портландцементом в определенных соотношениях

Технические требования к ЦТПН приведены в таблице.

Гарантийный срок хранения ЦТПН — 3 мес. со дня изготовления цемента. Рекомендуемое водотвердое отношение 0,43-0,45. Выход раствора из 1 т цемента 0,75-0,78 м 3 . Рекомендуемое водоцементное отношение 0,45.

Технические требования к тампонажному цементу ЦТПН

Показатель	Норма	ГОСТ на испытание образцов
Удельная поверхность цемента, м 2 /кг, не менее	310.2-76
Плотность тампонажного раствора,кг/м 3	1840±40	26798.1-85
Растекаемость тампонажного раствора, см, не менее	18 — 22	26798.1-85
Сроки схватывания тампонажного раствора при температуре 22±2°С и давлении 0,1 МПа,начало, не ранее конец не позднее	2,0 7,0
Предел прочности цементного камня в МПа при температуре 22±2°С и давлении 0,1 МПа, не менее	1,5	26798.1-85

Цемент тампонажный для низкотемпературным скважин типа ЦТН (ТУ 113-08-565-85) предназначен для крепления нефтяных и газовых скважин в многолетнемерзлых породах и зонах прилегающих к ним, при температурах от +30 до -2°С.

Тампонажный цемент типа ЦТН представляет собой гидравлическое вяжущее вещество, полученное тщательным смешением a-голугидрата сульфата кальция (70-80 %), портландцемента (20/30 %) и регулятора твердения
(0,2-0,5 %). Технические требования к ЦТН приведены в таблице. Гарантийный срок хранниияЦТН-4 месяца со дня изготовления.

Рекомендуемое водотвердое отношение 0,42-0,50. Выход раствора из 1т цемента в зависимостиот В/Т =0,75-0,77 м 3 .

Технические требования к тампонажному цементу ЦТН

Показатель	Норма	ГОСТ на испытание образцов
Высшая категория	Первая категория
Удельная поверхность цемента, м 2 /кг, не менее	310.2-76
Растекаемость тампонажного раствора, см, не менее	18 — 20	18 — 20	26798.1-85
Сроки схватывания тампонажного раствора при температуре 20°С час — мин. начало, не ранее конец не позднее	1 — 15 3 — 00	1 — 10 6 — 00
Предел прочности при изгибе образцов через 24 ч. твердения, МПа не менее, при температуре 20°С при температуре -2°С	2,0 1,5	1,8 1,4	Раздел3 ТУ 113-08-565-85

К тампонажным материалам для низкотемпературных скважин предъявляется ряд специфических технических требований.

1. Способность схватываться в короткий период и набирать прочность при существующих в заколонном пространстве температурах ММП без дополнительного подогрева жидкости затворения и внутриколонного пространства.

2. Максимальный период прокачиваемости при предельно сокращенных сроках схватывания, достаточный для продавливания цементного раствора в затрубье скважины должен составить не менее 2ч.

3. Тампонажные материалы должны обладать повышенной вытесняющей способностью, низкой водоотдачей и нулевым водоотстоем. Для этого тампонажный раствор должен иметь плотность, превышающую плотность бурового раствора как минимум на 120 кг/м 3 ; быть седиментационно-устойчивым без водоотделения, обладать высокой скоростью структурообразования.

4. Способность твердения при минимальном тепловыделении цемента во избежании, распределения ММП и возникновения деформацийрастяжения — сжатия в колонне, приводящих к образованию микрозазора в контактной зоне с цементным камнем.

5. Отсутствие усадки и плотный контакт с колонной и породой, низкая проницаемость и долговечность цементногокамня.

6. Морозостойкость — и водостойкость цементногокамня. Эти требования обусловлены необходимостью сохранения прочности при повторяющихся циклах замораживания — оттаивания в процессе строительства, консервации и эксплуатации скважин. В связи с использованием гипсовых магнезиальных вяжущих веществ в качестве компонентов композиционных тампонажных материалов к последним предъявляются требования повышенной водостойкости. Коэффициент водостойкости такого камня должен быть не менее 0,8.

7. Теплоизолирующие свойства цементной изоляции, обеспечивающие по сравнению с использованием обычного цементного раствора снижение интенсивности теплопередачи в 3-4 раза и создание за счет аккумуляции тепла благоприятных условий для формирования цементного камня.

Тампонажные материалы и растворы, приготовляемые в полупромышленных и промысловых условиях.

Цементно-бентонитовые смеси (гельцементы) представляют собой смесь портландцемента с бентониторым глинопорошком (до 30 — 40 %). При В/Т = 1,05 можно затворить раствор с плотностью 1450 кг/м 3 . Облегченные цементно-бентонитовые растворы рекомендуется использовать в скважинах с температурой до 80°С при отсутствии солевой агрессии.

В МИНГ им. Губкина разработаны различного вида цементы: тампонажный трепельный цемент для цементирования скважин с температурой 40-90°С; песчано-трепельный цемент — для скважин с забойными температурами 90-120°С и тампонажный белито-трепельный цемент для скважин с забойными температурами 120-200°С.

Плотность растворов на их основе находится в пределах 1500-1600 кг/м 3 .

Уфимским нефтяным институтом разработаны рецептуры тампонажных материалов на основе твердых остатков содового производства для скважин с забойными температурами 120-250, 20-180, 8-20°С.

Тампонажный материал для высоких температур (120-250°С) представляет собой сырьевую смесь продукта обжига твердого остатка содового производства и песка. Твердый остаток содового производства является отходом производства кальцинированной соды и представлен в основном карбонатами кальция.

Тампонажный материал для широкого интервала температур получают путем введения в состав первого при помоле клинкера портландцемента.

Тампонажный материал для низких температур представляет собой продукт обжига ферротитанового шлака и твердого остатка. В результате обжига получается белито-алюминатное вяжущее.

Проведенные опытно-промышленные испытанияна некоторых месторождениях Советского Союза показали перспективность их изготовления и применения для цементирования скважин.

В ТюменНИИГипрогазе разработаны и применяются на месторождениях Севера Тюменской области вермикулитовый и перлитоцементный тампонажные составы для пониженных температур (+30 ¸5°С). Вермикулит и перлитовый песок являются пористыми облегченными добавками с низкими значениями удельной насыпной массы (100-200 кг/м 3 ). В качестве интенсификатора твердения использован 10-20 % водный раствор хлорида кальция. За счет содержания газообразной фазы цементный камень из указанных растворов обладает лучшими теплофизическими свойствами.

Во ВНИКРнефть разработаны аэрированные тампонажные растворы. Основными параметрами, характеризующими качество этих растворов, являются его, краткость (отношение высоты вспененного тампонажного раствора к высоте невспененного исходного раствора) и устойчивость (%) — способность вспененного тампонажного раствора сохранять первоначально достигнутую высоту столба в мерном цилиндре в течении определенного времени. Для достижения максимальных величин кратности и устойчивости необходимо тщательно подбирать тип и дозировку ПАВ к цементному раствору.

В Тюменском индустриальном институте разработан низкотемпературный седиментационно-устойчивый, безусадочный тампонажный материал (ЦНУБ). Предназначен для цементирования обсадных колонн нефтяных и газовых скважин в интервале температур от минус 8 до +80°С, состоит из клинкера тампонажного портландцемента, обоженного твердого остатка содового производства и воды. Применяется в двух вариантах: нормальной плотности с комплексной добавкой кальцинированной соды и нитрилтриметиленфосфоновой кислоты (НТФ) при В/Ц = 0,37…0,5, пониженной плотности с добавкой цеолита и хлорида кальция при В/Ц =0,6. 1,0. Тампонажный материал ЦНУБ отличается от аналогов на основе гипсоцементной смеси "Пермафрост" (США) и тампонажных портландцементов с добавками ускорителей схватывания высоким качеством сцепления с обсадными трубами и горной породой, более высокой прочностью камня при изгибе в условиях пониженных температур, повышенной седиментационной устойчивостью.

Какой должна быть минимальная температура тампонажного раствора

Отличает сверхтонкий помол, усиливающий в разы требуемые технологические свойства тампонажного камня.

DenCem Flex

Многокомпонентный материал с улучшенными физико-механическими свойствами цементного камня. Отличается постоянными показателями, низким модулем Юнга, повышенным показателем прочности на сжатие и разрыв.

DenCem Light

Имеет облегченный состав, обладает повышенной прочностью и плотностью до 1400 кг/м3.

DenCem RD

Компенсирует контракцию цементного камня при твердении. Увеличивает плотность контакта с сопредельными средами. Расширяется до 40 %, схватывается за минимальное время.

DenCem ХХ

Препятствует миграции пластовых флюидов. Повышает адгезионные свойств цементного камня, снижает скорость нарастания предельного статического напряжения сдвига. Имеет пониженную характеристику фильтрации тампонажного раствора.

DenCem Fast

Многокомпонентная смесь, характеризующаяся минимальным сроком перехода агрегатного состояния из раствора в камень ( 2 —10 минут).

Комплексная буферная система (КБС)

Тандем, состоящий из двух буферных композиций, обеспечивающий максимальную степень замещения бурового раствора при цементировании, а также удаление со стенок ствола скважины и обсадной колонны фильтрационной корки бурового раствора.

Понизитель фильтрации

Предназначен для снижения показателей водоотделения и фильтрации за счёт структурирования цементного теста и удержания воды в объёме раствора.

Пластификатор

Предназначен для использования в качестве универсального пластификатора и понизителя трения всех классов цементов.

Область применения и основные характеристики тампонажных материалов

Тампонажные растворы должны соответствовать следующим показателям:

1. Обладать минимальной фильтрацией, чтобы предотвратить преждевременное загустевания; для сохранения высокой проницаемости приствольной зоны
2. Легко пропускаться цементировочными аппаратами на весь период транспортировки
3. Не вступать в химические соединения с металлами, пластовыми флюидами, горными и буровыми породами
4. Просто промываться с технологического оборудования
5. Относиться к классу нетоксичных материалов.

Важно: строительство скважин с неправильно подобранным тампонажным раствором приводит к аварии или полному разрушению скважины.

При возведении частного жилья данный материал не применяют. Исключение: возведение домов с фундаментом на сваях в особых геодезических условиях участка.

Основные функции тампонажных растворов

• Укрепление обсадных колонн
• Защита от коррозии и неблагоприятного воздействия пластовых флюидов
• Укрепление стенок скважины
• Консервация скважин
• Укрепление дна
• Изоляция скважин от воды, нефти, газа
• Снижение дефектов обсадных колонн
• Создание искусственных забоев и разделительных пробок в стволе скважины.

Тампонажные смеси отличает тонкий помол, быстрое отвердение, повышенную прочность и текучесть после затворения водой. Важный показатель — прочность на сжатие, потому что в шахтах скважины подвергаются высокому давлению по мере углубления.

Требования, классификация и область применения портландцементов тампонажных

Для цементирования нефтяных, газовых и других скважин, применяют портландцемент тампонажный, произведенный на базе портландцементного клинкера. Основная цель — создать монолитную конструкцию, которая на протяжении всего периода эксплуатации сохранит целостность. Будет устойчива к воздействию агрессивных сред.

Портландцементы (ПЦ) используют при разведочном бурении, возведении, эксплуатации и в капитальном ремонте скважин. При строительстве скважины от тампонирования в большой степени зависит срок ее эксплуатации и производительность.

Обязательные требования к тампонажным материалам:

• Легкий переход в твердое состояние за короткий период, с сохранением текучести (чтобы свободно закачивать раствор)
• Тонкий помол
• Высокая скорость схватывания и затвердевания
• Сочетаемость с необходимыми добавками.

Классификация

Требования к тампонажным материалам, регламентируют согласно ГОСТ 1581-96 «Портландцементы тампонажные. Технические условия».

Классифицирует портландцементы, в зависимости от состава:

• Бездобавочные: I; I-G; I-H
• С минеральными добавками, 6 — 20% от состава: I; II; III

Систематизируют цементы по плотности:

• Облегченные: Об
• Утяжеленные: Ут.

В сложных геологических условиях, где имеется опасность гидроразрыва, применяют облегченные цементы с пониженной плотностью. В скважинах на больших глубинах и при ремонте, применяют тампонажные цементы с минимальной плотностью. Такие растворы легче качать, ими удобнее заполнять трещины и расколы. Они обладают хорошей сцепляемостью с уже существующими конструкциями, отличаются высокой адгезией.

При строительстве глубоких и высокотемпературных скважин добавляют замедлитель сроков схватывания. Чаще всего это лимонная, нитрилотриметилфосфоновая кислота, борная кислота, виннокаменная кислота, триполифосфат и глюконат натрия. Добавки для снижения скорости схватывания эффективны в небольших концентрациях.

В зависимости от температурного режима, ПЦ типов I, II и III регламентируют:

50 — для низких и нормальных температур от 15 до 50°С

100 — для умеренных от 51 до 100°С

150 — для повышенных температур от 101 до 150°С.

К материалам для низких и высоких температур предъявляют жесткие требования. Строго регламентируются предельные показатели по срокам схватывания:

Для низкотемпературных скважи­н:

• Начало схватывания не ра­нее 120 минут
• Конец схватывания после затворения не больше 10 часов.

Для высокотемпературных скважи­н:

• Начало схватывания не ранее 105 минут
• Ко­нец схватывания после затворения не должен превышать 5 часов.

Это время рассчитано для того, чтобы успеть закачать це­ментный раствор в скважину, продавить его на нуж­ную высоту в затрубное пространство.

В некоторых случаях пластовые воды оказывают существенное коррозионное влияние. Цемраствор всасывается трещинова­тыми или дренированными пластами, тогда необходимо применять растворы с высокой плотностью. Плотность материалов должна быть выше плотности про­мывочного глинистого раствора.

Как контролировать качество цементирования и техническое состояния колонн

От качества цементирования скважины зависит производительность и срок службы. Добыча безводных углеводородов уменьшается по причине попадания воды в межпластовые перетоки. Качественное крепление обсадных колонн изолирует продуктивные пласты газа и нефти от водонасыщенных пластов, позволяет эксплуатировать скважину длительный период.

Поэтому особое внимание уделяют контролю качества цементиро­вания и техническому состоянию колонн.

Методы контроля качества

Акустический метод контроля качества цементирования или АКЦ — это самый распространенный способ. Основан на законах распространении ультразвуковых волн в различных средах.

Позволяет выявлять:

• Степень сцепления цементного камня как с колонной, так и с породой
• Дефекты тампонажного кольца
• Размер микрокольцевого зазора между цементным камнем и колонной.

Область применения:

1. Контроль обсаженных скважин, с внутренним диаметром колонны 220-320 мм, с углом наклона до 150 °С
2. Проверка необсаженных скважинах диаметром 200-500 мм.

Радиоактивный метод контроля качества цементирования регистрирует обратную зависимость гамма-излучения от плотности окружающей среды. Несколько детекторов фиксируют степень и интенсивность рассеянного гамма-излучения. Совпадение всех кривых указывает на качественное цементирование.

Позволяет выявлять:

• Высоту подъема тампонажной смеси в затрубном пространстве
• Размер стенок обсадной колонны
• Промежутки с разными тампонажными смесями
• Плотность тампонажной смеси за колонной
• Смещение бурового и тампонажного растворов
• Места, где имеются муфты, центрирующие фонари
• Показатель вытеснения бурового раствора
• Размер колонны и ее дефекты.

Область применения:

1. В обсадных колоннах с толщиной стенки 5-12мм
2. Параметры плотности от 1000 до 2000 кг/м3.

Термометрический метод базируется на фиксировании температуры по всей длине обсадной колонны. При затвердении тампонажного раствора возрастает температура.

Позволяет выявлять:

• Насколько заколонное пространство заполнено раствором по высоте
• Равномерность распределения раствора.

Данный метод применяют до истечения срока схватывания в течение суток.

Акустическая сканирование стенки обсадной колонны или АК-сканер основан на определении акустических свойств стенки метод эхо-сигнала. Обнаруживает эксцентричное положение колонны по отношению к оси и вертикальных каналов.

Позволяет выявлять:

• Внутренний диаметр обсадных колонн
• Толщину стенок обсадных колонн
• Степень деформации обсадных колонн
• Наличие коррозийных участков, как внутренних, так и внешних
• Существование и степень дефектов цементного камня.

Область применения:

1. В скважинах с открытым стволом и обсаженных стальной колонной (заполненная жидкость должна иметь плотность до 1.2 г/см3).

Мы контролируем качество каждой партии выпускаемой продукции, постоянно подтверждаем соответствие сертификатов качества.

Тампонажный раствор: свойства, правила приготовления, состав, соответствие требованиям ГОСТ, назначение и применение

Циркуляция воды в скважине способствует прочистке отверстия, чем помогает бурительному и заделочному процессам. При условии, что используется активный состав с дополнительными эксплуатационными свойствами, можно рассчитывать на целый ряд других эффектов, среди которых следующие:

• Образование фильтрационной корки на стенах открытого ствола. В результате укрепляются неустойчивые отложения, глинистые породы и сыпучие пласты.
• Создается противодействие поровому давлению.
• На забойную силовую установку и долото транслируется дополнительная гидравлическая энергия.
• Буровые и тампонажные растворы транспортируют разработанную породу и после завершения циркуляции удерживают эту массу во взвешенном состоянии.
• Предотвращаются риски возникновения осложнений, дифференциальных прихватов, нефтегазопроявления и поглощения скважины.
• Предупреждаются обвалы и осыпи.
• Оказывается смазывающее воздействие на буровое оборудование.
• Обеспечиваются охлаждение и смазка инструмента.

Основа для состава тампонажной смеси

Для создания буровых растворов применяются пластические и тонкодисперсные глины с минимальными включениями песка, которые вместе с водой могут образовывать вязкую суспензию с длительным периодом оседания. При разработке газовых и нефтяных скважин специалисты рекомендуют использовать щелочные виды монтмориллонитовых глин, а также глинопорошки. Кроме того, в состав тампонажного раствора входит техническая вода, гидрогели и солевые компоненты. Современные смеси включают инвертную эмульсию, известково-битумные основы и полимерные компоненты. Соотношения между ингредиентами и конкретный их набор зависит от эффекта, который необходимо достичь, и условий применения раствора. В любом случае к нежелательным компонентам относятся примеси наподобие гипса и растворимых минералов, которые понижают стабильность вязкого глинистого сырья.

Особенности и состав

К специфическим особенностям тампонажного цемента можно отнести такие его свойства, как:

• Быстрый период затвердевания, при том, что достаточно долгое время перемешанная с водой смесь сохраняет свои подвижные и вязкие свойства;
• Устойчивость к воздействию влаги — затвердевает даже в воде;
• Совмещение с различными добавочными веществами.

Тампонажный цемент прочен и целостен длительное время, независимо от влияния вредных окружающих сред.

Основной состав строительного материала представлен измельченным клинкером и гипсом. Также для воздействия на те или иные свойства применяют минеральные добавочные вещества. Для цементирования буровых скважин при нефте- и газодобыче производятся разные виды растворов, а именно:

1. Гигроскопический. К основной смеси добавляют триэтаноламин.
2. Утяжеленный. В клинкеро-гипсовую основу вводят утяжеляющие добавки, одной из которых могут быть железорудные минералы (тяжелые шпальт, гематит, магнетит).
3. Песчанистый. Основной состав смешивают с гипсом и кварцевым песком, при этом соотношение компонентов должно быть для использования в горячих скважинах не больше 50% и менее 20% в холодных.
4. Солестойкий. В раствор добавляют кварцевый тонкоизмельченный песок, противостоящий коррозии, которая образуется в результате воздействия на трубы грунтовых вод с высокой концентрацией соли.

Кроме обычного тампонажного портландцемента производят сульфатостойкую смесь, которая не поддается воздействию агрессивной среды, долговечный низкогигроскопичный цемент, а также волокнистую смесь для прочного цементирования путей утечки раствора.

Правила создания раствора

Приготовление тампонажных смесей производится с помощью цементосмесительных агрегатов в соответствии с регламентированными режимами. В зависимости от поставленных задач и применяемого сырья в схему приготовления могут вводиться разные технологические решения. К примеру, если используется лежалый цемент, то необходимо предусмотреть его активацию. Сухая смесь в емкость подается при стабильной работе водоподающего насоса. Совмещение жидкости и сухих компонентов должно производиться в условиях поддержания давления на уровне 12-15 МПа. Это оптимальная среда для приготовления тампонажных растворов с точки зрения затворения и схватывания структуры. Далее необходимо выждать период стабилизации смеси, для которой предусматривается специальный режим в цементосмесительной машине.

Оценка качества цементирования

Стоит отметить: несмотря на то, что оценка качества цементирования водоносных скважин является очень важным этапом, провести её самостоятельно невозможно.

Для её осуществления требуется специальное лабораторное оборудование, которое очень редко встречается даже у организаций, которые занимаются бурением.

Если вы всё-таки намерены произвести оценку проведённого тампонирования, то можете заказать услугу контроля качества одним из трёх способов:

• акустический, основанной на простукивании стенок обсадной колонны, с последующей обработкой полученных данных компьютерными программами;
• радиологический, когда измерение при помощи радиоприборов;
• термальный, основанный на принципе измерения выделяемого тепла при застывании цементного раствора.

В “домашних” условиях вы можете использовать упрощённый термальный метод, измерив температуру у стенок скважины. Когда она сравняется с окружающей температурой воздуха и станет ниже на 0,5-1,5 градусов, тогда можно говорить о полном затвердевании. Однако даже после этого рекомендуется выждать 2-3 дня и только тогда осуществлять ввод скважины в эксплуатацию.

После завершения проверки устье скважины прочищается от остатков цементного раствора при помощи желонки. Затем производится проверка герметичности, для чего в трубу скважины закачивается вода под высоким давлением в течение 30 минут. Критерием герметичности будет снижение давления примерно на 0,3-0,5 МПа. Теперь скважина полностью готова к использованию.

Герметичность тампонирования повышает дебет скважины, увеличивает срок службы обсадных колонн, защищая их от коррозии, а также самого водоисточника

Свойства тампонажных смесей

Технико-эксплуатационные свойства буровых смесей определяются подобранной рецептурой и на практике применения определяют качества взаимодействия с материалами пластов скважины. Учитываются следующие свойства тампонажного раствора:

• Водоотдача. В условиях перепадов давления происходит процесс водоотделения от активной фазы раствора. В зависимости от параметров ствола скважины показатель скорости водоотдачи может быть разным, корректируется индивидуально. Например, если планируется укрепление конструкции, то водоотдача раствора должна быть близка к нулю.
• Седиментационная стойкость. Процесс отделения воды от раствора, при котором цементная масса движется вниз, а жидкость – вверх.
• Загустевание. Определяется множеством факторов, среди которых степень помола компонентов раствора и наличие материалов, повышающих вязкость. На стимуляцию этого свойства влияет увеличение доли воды, а на понижение – стороннее тепловое воздействие.
• Схватывание. Как правило, технологи стремятся повышать это качество до максимума в конкретных условиях. Для этого используется наращивание температуры с давлением, а также изоляция ствола в условиях повышенной влаги.

Комбинированные полимерно-цементные растворы

Комбинированные растворы получаются путем сочетания в тампонажном растворе цементной суспензии и раствора полиакриламида или гипана. Для приготовления комбинированной смеси используются следующая пропорция компонентов:

• ¾ тампонажный цемент;
• ¾ вода в соотношении 60% от массы сухого цемента;
• ¾ хлористый кальций (2,5-5%);
• ¾ полиакриламид (0,15-0,20%).

Из-за высокой вязкости полиакриламид предварительно разводят до концентрации трехпроцентного раствора и вводят в цементную массу непосредственно в буровых трубах, чтобы избежать преждевременного схватывания.

Модификация свойств буровой смеси

Корректировка тех или иных качеств не всегда возможна обычными средствами и материалами, поэтому целесообразнее использовать специальные присадки и добавки, которые эффективно и точечно изменяют нужные свойства. В их числе отмечаются следующие модификаторы:

• Карбонат натрия. Используется для сокращения времени схватывания. С помощью данного ускорителя получают быстросхватывающиеся растворы, пригодные для использования при температурах до 55-65 °С.
• Бентонит. Увеличивает показатель начальной подвижности промывочного раствора, оптимизируя мероприятия по его закачке. Этот модификатор рекомендуется использовать применительно к тампонажным растворам, плотность которых варьируется от 1,5 до 2,2 г/см3.
• Гипсоцементные суспензии. Улучают способность раствора к водоотдаче. Основа становится более стойкой к растворению в воде. Для промывочных составов использование суспензий бессмысленно, однако в целях укрепления ствола – вполне допустимо.
• Цементно-смолистые добавки. Разновидность пластификатора с эпоксидными смолами, которые применяются для промывки скважин с осложнениями водоносных пластов.

Виды растворов для бурения

В практике применения обычно выделяют следующие виды тампонажных смесей:

• Буровой лигнитовый. Раствор на щелочной основе, который модифицируется лигнитами.
• Известково-битумный раствор. В качестве основы используются нефтепродукты – комбинация дисперсионной среды из нефти или дизельного топлива, а также битума и оксида кальция в качестве дисперсной фазы.
• Облегченная смесь для промывки. Представляет собой уменьшенный в массе тампонажный раствор с минимальными показателями плотности. Используется при разработке скважин с низким давлением пластов.
• Полимерный раствор. В основе состава находится вода, содержащая высокомолекулярные линейные полимеры. Обычно используется в процессах бурения крепких пород.

Проверка на соответствие ГОСТу

Согласно ГОСТу 26798.1-96, параметры буровых растворов определяются без учета возможных воздействий, которые могут иметь место в процессе эксплуатации материала в реальных условиях с подключением обсадных колонн. На соответствие нормативам проверяется время загустевания смеси, плотность и вязкость. При этом для разных составов и технические показатели, и перечень критериев оценки могут меняться. Так, для определения свойств расширения и прочности в случае с тампонажным цементным раствором используется ГОСТ 1581-96, требующий, чтобы испытания проводились при температуре окружающей среды порядка +30 °С. В процессе затвердевания смесей цементного камня в ограниченном объеме показатели прочности могут быть выше, чем при использовании аналогичной по составу массы при заполнении скважины. И, напротив, проницаемость раствора понижается.

Процесс образования цементного камня

Процесс образования цементного камня начинается сразу после закачки тампонирующего раствора и длится от 12 до 36 часов. Основными факторами, влияющими на длительность затвердевания раствора до состояния цементного камня:

• свойства компонентов, входящих в состав раствора;
• грунты, материал обсадных колонн;
• гидрогеологические и климатические условия на участке;
• плотность закачки, правильность осуществления процесса тампонирования.

В период затвердевания необходимо оставить скважину в состоянии покоя. Запрещается использовать тросы, ломы, проволоку для оценки качества цементирования, т.к. это может нарушить целостность образующегося цементного камня.

Если вы не знайте, сколько времени необходимо для полного схватывания цементирующего раствора, подождите трое суток и приступайте к контрольным замерам

Технология применения тампонажной смеси

Для использования буровых растворов используется специальное оборудование, обеспечивающее техническую возможность операций циркуляции. В процессе применение тампонажные растворы совершают следующий технологический цикл:

• Состав замешивается и хранится в специальной емкости.
• Насосное оборудование через колонну бурильного трубопровода начинает перекачку раствора из емкости в скважину.
• По трубам смесь направляется к забою скважинного ствола, где долото бурильной установки разрабатывает очередной слой породы.
• Раствор возвращается на поверхность, неся с собой частицы породы, отделенные долотом.
• По затрубу масса поднимается вверх, проходя между бурильной трубой и стенами скважины.
• На поверхности выполняется операция фильтрации и очистки раствора от шлама. Для этого применяют вибрационное сито.

Области применения

Главное назначение строительного материала — тампонирование нефтяных и газовых скважин. При бурении температура горных пород сильно воздействует на статическое напряжение сдвига, водоотдачу и вязкость раствора для бурения. Чем больше температура горных пород, тем труднее удерживать заданные параметры на уровне. При серьезной разности температур требуется применение тампонажного портландцемента.

Процесс представляет собой заделку цементным раствором пространства между обсадной трубой и стенками. Когда состав затвердеет, полученная прослойка будет способствовать надежной защите от грунтовых вод. Заполнять свободное пространство можно частично или полностью, принимая во внимание параметры грунта.

Тампонажный цемент при жилом строительстве не применяется. Исключение — закладка буровых свай под фундамент в тяжелых условиях.