Серикбаев Елдос Алиаскарович

ТАМПОНАЖНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ЦЕМЕНТАЦИИ ГЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СКВАЖИН

Для цементации (тампонажа) затрубного пространства геотехнологических скважин применяют тампонажные цементы на основе портландцемента.

Портландцемент (ПЦ) - продукт совместного размола портландцементного клинкера и гипса (ГОСТ 10178-76). Гипс вводится в состав портландцемента с целью регулирования сроков схватывания в количестве, обеспечивающем не более 3,5 % SO_? в цементе. Другие требования к ПЦ: содержание MgO в исходном клинкере не более 5 %; тонкость помола должна быть такой, чтобы при просеивании пробы цемента сквозь сито с сеткой № 008 проходило не менее 85 % массы просеиваемой пробы; сроки схватывания - начало не ранее 45 минут, конец - не позднее 10 часов от начала за- творения; образец должен выдерживать испытание на равномерность изменения объема.Портландцемент должен соответствовать одной из четырех марок: 400, 500, 550, 600. Стандарт предусматривает выпуск портландцемента с минеральными добавками, содержащего, кроме клинкера и гипса, до 20 % гранулированных доменных и электротермофосфорных шлаков или до 10 % активных минеральных добавок осадочного происхождения, а также до 15 % прочих.

Состав портландцемента:

а) вещественный - соотношение масс портландцементного клинкера, гипса и добавок с указанием их вида;

б) химический - валовое массовое содержание окислов CaO, Si0₂, АЮз, Fe₂0₃, MgO, Na₂0, К₂0, SO, и др.; химический состав не может быть надежной характеристикой ПЦ без учета его вещественного состава;

в) фазовый (минералогический) - этот вид состава включает, кроме 4 минералов портландцементного клинкера, минералы, входящие в состав гипса и добавок;

г) гранулометрический - показывает процентное содержание в ПЦ частиц разных фракций.

Тампонажные цементы - цементы, образующие вяжущие системы, предназначенные для изоляции пластов, а также крепления затрубного пространства обсадных колонн и другой арматуры при бурении и эксплуатации скважин и других глубинных подземных сооружений. По температурным условиям объекты бурения делятся на «холодные» с температурами до 40° С, «горячие» - 40°-90° С и высокотемпературные - от 90° до 200° С и выше. Давление в скважинах может достигать 1 • 10⁵ кПа.

Основные требования к тампонажным цементам:

а) способность образовывать легко подвижные суспензион

но устойчивые системы, которые можно прокачать насосами. Предельное значение консистенции (псевдовязкости цементного раствора) - 30 Пз, на практике - не выше 10-15 Пз;

б) способность цементирующих систем сохранять свою начальную консистенцию как в статических (без перемешивания), так и в динамических (при непрерывном перемешивании) условиях. Требуемое время стабильности определяется глубиной скважины: до 1800 м - не менее 1 ч 20 мин, до 4000 м - не менее 2 ч 20 мин;

в) цементирующие системы (растворы) должны иметь определенные пределы плотности: облегченные системы - ниже 1,7 г/см³, применяются для цементирования пород с низкой прочностью; обычные системы - 1,7 - 2,0 г/см³; утяжеленные системы - выше 2,0 г/см³ применяются для цементирования пластов с высоким давлением нефти, газа и пластовой воды;

г) цементный камень должен иметь достаточную прочность обеспечивать хорошую водо- и газопроницаемость, достаточную устойчивость в среде солевой и сероводородной агрессии.

Таблица 1 - Прочностные характеристики тампонажного цемента

Вид цемента	Температура, °С	Предел прочности при изгибе, МПа
Для «холодных» скважин	22±2	27
Для «горячих» скважин	75±3	62

Вещественный состав тампонажных цементов определяется кинетическими факторами взаимодействия компонентов цементных растворов в конкретных условиях скважин. Наиболее распространены материалы на основе силикатов и алюминатов кальция от высокоосновных тампонажных порт- ландцементов для низких и умеренных температур до низко- основных шлаковых, белитовых, известково-кремнеземистых, смешанных песчаных для высоких температур и давлений. В состав цементирующих тампонажных растворов входят регуляторы сроков «загустевания» и «схватывания», из которых наиболее всего распространены: лигносульфонты типа ССБ, гру ппа целлюлозных реагентов, например карбоксиметилцел- люлоза (КМЦ), всевозможные сочетания соединений виннокаменной, лимонной и борной кислот.

Регуляторами плотности тампонажных растворов чаще всего являются: понизители - бентонитовый глинопорошок, вспученный перлит, диатомит, трепел, полимерные пористые капсулы-микробаллоны; утяжелители - железные руды, баритовый шпат, свинецсодержащие породы и др.

Таким образом, реально применяемые тампонажные цементы практически всегда имеют вещественный состав, подобранный к условиям данного объекта.

Быстросхватывающиеся цементные смеси (БСС). С целью сокращения времени загустевания и сроков схватывания, а также повышения прочности тампонажного камня в ранние периоды твердения в цементный раствор вводят ускорители схватывания и твердения. Предельное количество вводимых ускорителей чаще всего не превышает 6 % от массы сухого цемента. БСС может быт получена добавлением в тампонажный цемент 10-30 % гипсоглиноземистого или глиноземистого цемента.[1,2,3].

Смеси, приготовленные только из глиноземистого и гипсоглиноземистого цементов являются быстросхватьшающими, быстротвердеющими и расширяющими.

Быстросхватывающиеся смеси (БСС) на основе портланд- цементов получают также введением в цементные растворы ускорителей схватывания: хлористого кальция (СаС1₂), кальцинированной соды (ИаСо), углекислого калия (поташ Ыа₂Со₃), хлористого алюминия (А1С1₃), хлористого натрия (ЫаС1), фтористого натрия (ЫаР), каустической соды (ТЯаОН), жидкого стекла (Ма^ЮЗ), сернокислого глинозема (А1(8Ю₄)₃), высокоминерализованной воды хлоркальциевого типа и др. При приготовлении БСС ускорители схватывания вводят в воду за- творения или в затворенный цементный раствор. Порошкообразный ускоритель можно смешивать с сухим тампонажным цементом. Количество вводимого ускорителя колеблется в пределах 2-10 %. БСС обычно применяют в скважинах с температурой до 50 - 70° С.

БСС на основе специальных цементов содержит портландцемент с добавлением 10-20 % (по массе) глиноземистого цемента. Начало схватывания при В/Ц = 0,5 составляет 20 мин. Предел прочности при твердении в пластовой воде через 2 суток равен 1,4-1,7 Мпа. При вводе в глиноземистый цемент до 4 % фтористого натрия начало схватывания составляет 35 мин.

Гипсоцементная смесь. Частично устранить указанный выше недостаток можно применением смеси, состоящей обычно из равных частей тампонажного цемента и гипса. Приготовляют смешиванием гипса и тампонажного цемента в сухом виде с последующим затворением полученной смеси на растворе замедлителя или смешиванием раствора гипса, затворенного на растворе замедлителя, и раствора тампонажно- го цемента.

Цементно-бентонитовые смеси состоят из цемента и глины, взятых в соотношении 2:1 (достаточно часто применяют и смеси с меньшим количеством глины). Готовят из тампонажного цемента, бентонита и ускорителей схватывания путем смешивания сухих компонентов с последующим их затворением или путем добавления бентонита в цементный раствор.

В некоторых случаях можно применять глиноцементный тампонажный раствор с высокой водоотдачей (ТРВВ). Его готовят смешиванием цементного раствора плотностью 1350- 1450 кг/м³ и бентонитового раствора плотностью 1180-1200 кг/ м³ в соотношении 1:2 (для более сложных зон поглощений в соотношении 1:1). ТРВВ имеет большую вязкость и высокую водоотдачу, вследствие чего фильтрат уходит в пласт, а проницаемая прискважинная зона закупоривается цементными и глинистыми частицами, а также наполнителем, вводимым в раствор. Следом за ТРВВ закачивают обычный глиноцементный раствор, затворенный на водном растворе хлористого кальция.

Получать облегченные смеси можно аэрацией тампонаж- ной смеси компрессорами и другим оборудованием. Для получения стабильных расходов в них добавляют ПАВ.

Смеси, приготовленные на углеводородной жидкости (чаще всего на дизельном топливе), имеют высокую пластическую прочность.

Материалы на основе синтетических смол. Полимерные смеси на основе синтетических смол в настоящее время широко применяются в качестве изоляционного материала, благодаря меньшей плотности и хорошей адгезией к горным породам и обсадным трубам, стойкости к различного рода коррозии, широкому диапазону регулирования времени схватывания, высокой фильтрационной способности.

Смесь на основе резорциноформальдегиднои смолы ФР-12 с отвердителем типа формалин или параформ рекомендуется применять для цементации «сухих» горизонтов, так как время затвердевания смолы, а также качество полученного отвержденного материала в значительной мере зависят от степени разбавления ее водой.

Смеси на основе мочевиноформалъдегидиой смолы МФ- 17 имеют отвердитель следующих типов: раствор щавелевой кислоты и хлористого аммония, керосиновый контакт Петрова, соляная кислота и раствор кислого гудрона. Время отвердевания смесей зависит от температуры среды, вида и концентрации раствора отвердителя.

Смесь СКМ-19 разработана на основе мочевиноформаль- дегидной (карбамидной) смолы М-19-62, отверждаемой 30 %-ным водным раствором хлорного железа. При перемешивании смолы с отвердителем через определенное время происходит потеря текучести, а затем интенсивное отверждение смолы и быстрое нарастание прочности камня.

Для улучшения цементационной способности в смесь рекомендуется вводить наполнители: опилки, кордное волокно, резиновую крошку и др.

Смесь на основе резольной фенолформалъдегидной смолы марки Б с отвердителем типа керосиновый контакт Петрова. Прочность получаемой пластмассы при вводе 30-50 % контакта Петрова равна 0,2-0,4 МПа через 4 часа с момента контакта исходных веществ.

Смесь на основе фенолформалъдегидной смолы (ТС-10, ТСД-9) с отвердителем типа: формальдегид, пароформ или уротропин. Вязкость данных смесей, приближающаяся к вязкости воды, обусловливает успешность их применения при цементации стесненных зазоров и насыщении пористых сред.

Смесь ТС-ФА приготовляется на основе водонерастворимого фурфуролацетонового маномера ФА, отверждаемого 30 %-ным водным раствором хлорного железа. Термостойкость маномера ФА превышает 200° С, плотность 1090-1100 кг/м³. При хранении до 1 года он почти не изменяет свои свойства и не теряет способности к отверждению. При температурах выше 140° С следует учитывать влияние избыточного давления на сроки схватывания смеси.

Смесь на основе алкшрезорциновой эпоксисренольной смолы (АЭСФ 95-99 %) с отвердителем типа полиэтиленпо- лиамин (ПЭПА 5-1 %) представляет собой гидрофобный там- понажный материал ГТМ-3 - однородная темнокоричневая жидкость без осадка. Отличительная особенность ГТМ-3 ги- дрофобность в исходном и отвержденном состоянии, способность отверждаться в пресной и минерализованных пластовых водах, нефтях, органических жидкостях при температуре в пределах от -5 до +80° С.

Метасоцементные смеси получают смешиванием водного раствора матас (сополимер метакриловой кислоты и метакриламида) 10-15 %-ной концентрации с цементной суспензией, приготовленной на водном растворе хлористого кальция, при водоцементном отношении 0,4-0,5.

Смеси на основе отверждаемых глинистых растворов (ОГР) получают смешиванием 58-65 % объемных долей глинистого раствора плотностью 1100-1400 кг/м³, 10-16 % формалина и 25-26 % состава ТС-10. Для приготовления раствора используют формалин, содержащий формальдегид не менее 30 % обычных объемных долей.

ОГР по сравнению с растворами минеральных вяжущих веществ и водными растворами смол обладает следующими достоинствами:

- высокая седиментация, устойчивость и способность жидкой фазы отверждаться в пластмассу;

- малая водогазопроницаемость пластмассового камня и его хорошее сцепление со стенками скважины;

- более высокие реологические показатели ОГР обеспечивают благоприятные условия вытеснения бурового раствора, чем при использовании водных растворов смол;

- наличие наполнителя повышает деформативность пластмассы и уменьшает усадочные явления в камне.

При использовании ОГР в скважинах с температурой 50- 80° С весь формалин или часть его заменяют уротропином.

ОГР приготовляют следующим образом. При объеме ОГР более 8 м³ в емкостях одного цементировочного агрегата (ЦА) готовят смесь глинистого раствора и ТС-10, а в емкостях другого - равный объем смеси глинистого раствора с формалином. Приготовленные порции смешивают в головке на устье скважины или в тройнике нагнетательных линий агрегатов и продавливают в скважину с водой, глинистым или цементным раствором. При объеме ОГР менее 8 м³ в емкость одного или двух ЦА заливают расчетное количество глинистого раствора и ТС-10, а после перемешивания - расчетное количество формалина. Смесь перемешивают 5-10 мин и закачивают в скважину.

Литература

1 Башкатов А.Д. Прогрессивные технологии сооружения скважин. – М.: Недра, 2003. – С. 320.

2 Сергиенко И.А., Мосев А.Ф. и др. Бурение и оборудование геотехнологических скважин. – М.: Недра, 1984.-224с.

3 Сушко С.М., Дауренбеков С.Д., Бегун А.Д., Касенов А.К., Федоров Б.В. Технология и техника сооружения геотехнологических скважин при подземном выщелачивании урана. Алматы. Типография «Искандер»., 2007. 259 с.