Легкі й полегшені тампонажні цементи і розчини

Такі цементи і розчини використовують для цементування свердловин за умов низьких і аномально низьких пластових тисків і геостатичних температур 15-250°С.

Як зазначено вище, за густиною (кг/м³) отримуваного тампонажного розчину тампонажні цементи підрозділяють на такі групи:

легкі < 1400 обважені 1950-2300

полегшені 1400-1650 важкі > 2300.

нормальні 1650-1950

Пониження густини тампонажних розчинів досягається такими способами [200]:

1) зниженням густини твердої фази шляхом додавання легкого напов­нювача чи використання в'яжучої речовини меншої густини;

2) підвищенням водовмісту тампонажного розчину за одночасного підвищення водоутримувальної здатності;

3) введенням великого об'єму газової фази за одночасного її диспер­гування і стабілізації утвореної піни;

4) заміною частини води вуглеводневою рідиною меншої густини

Густину розчину за першим і другим способами можна забезпечити під 1860 кг/м³ до 1370 кг/м³ за густини додатку 1800-2600 кг/м³, відношенні маси додатку до маси цементу 1, 5-0, 43 і збільшенні водоцеменіного відношення від 0, 4 до 1, 0 (табл. 2.18, де а_д - відношення маси додатку до маси цементу; ВІТ- відношення маси води до маси твердої речовини).

Кожний із цих способів, окрім 3-го, який застосовується окремо, не дає змоги одержати цементні розчини значно пониженої густини, тому, як правило, вказані способи використовуються в комбінації, однак у залеж­ності від умов застосування вибирають основний спосіб, комбінуючи його з додатковим найбільш придатним.

За наявності небезпеки корозії пластовими чи нагнітальними середо­вищами кращим є 1-й спосіб. Цей спосіб ефективний також за високих температур у свердловині, коли полегшувальний додаток, який містить кремнезем, вводиться в кількості, достатній для одночасного забезпе­чення термостійкості.

Таблиця 2.18- Густина полегшених тампонажних розчинів

За невисоких температур навколишнього середовища (до 40°С) краще вводити мінімальну кількість інертного наповнювача, застосовуючи в основному 2-й і 3-й способи. 1-й спосіб для цих умов доцільно засто­совувати тільки за наявності наповнювача з густиною менше 1000 кг/м³ (газонаповнені полегшувальні додатки).

Введення незахищеної оболонкою газової фази (3-й спосіб) з метою зниження тиску на глибокозалеглі пласти пов'язано з необхідністю враху­вання зменшення його об'єму та полегшувальної здатності з підвищенням гідростатичного тиску.

Використання нафтоемульсійних цементних розчинів (4-й спосіб) доцільне у свердловинах, в яких під час буріння використовувався гідро­фобний (наприклад, нафтоемульсійний) буровий розчин, якщо повільне твердіння та низька міцність не є перешкодою до його застосування.

Як полегшувальні додатки можна використати (табл. 2.19) [200]:

1) гідрофільні матеріали, які є тонкодисперсними або самі розпуска­ються і додаються до складу цементу чи розчину з метою запобігання седиментації в разі підвищення водовмісту за температур до 40°С і відсутності агресивних середовищ (глинопорошки, бентоніт);

2) кремнеземвмісні матеріали осадового і техногенного походження (діатоміти, трепели, опоки, роздутий перліт, роздутий вермикуліт) за температур понад 40°С і відсутності магнезіальної корозії;

3) відносно грубодисперсні, нерозчинні, головним чином органічні ма­теріали невисокої густини, котрі додаються як легкий наповнювач (вугіль­ний порошок, гумова крихта, пластмаса та ін.) за умов дії агресивних се­редовищ;

4) неорганічні та органічні частинки, які містять газові включення (роздутий перліт, фільтроперліт, тампонажний перліт, керамзит, полімерні мікробалони, паливний попіл та ін.);

5) водорозчинні неорганічні чи органічні речовини, які запобігають седиментації тампонажного розчину в разі підвищеного його водовмісту за необхідності значного сповільнення чи прискорення схоплення (водо­розчинні ефіри, целюлози, солі деяких полівалентних металів, в'язко-пружні суміші та ін.);

6) додатки, які вступають у хімічну реакцію з газовиділенням, та додатки, що стабілізують піну.

Під час вибирання полегшувального додатку необхідно:

1) за умов невисоких температур намагатися одержати розчин необ­хідної густини, але зберегти максимальну концентрацію в'яжучої речовини;

2) за умов підвищених та високих температур застосовувати такі додатки і в таких кількостях, щоб вони повністю хімічно зв'язувалися з в'яжучою речовиною;

3) приховувати, що більшість полегшувальних додатків прискорюю 11, чи уповільнюють тужавіння;

4) за наявності агресивних середовищ вибирати додатки, які чабсчііс­нують досягнення мінімальної пористості цементного каменю.

Таблиця 2.19 - Густина р, питома поверхня S_nm і водопотреба деяких полегшу­вальних додатків

Виходячи з цього, рекомендується як полегшувальні додатки вико­ристовувати: а) бентонітові та інші глинопорошки за температур до 40°С та за відсутності агресивних середовищ; б) матеріали, що містять крем­незем, осадового та техногенного походження, за температур понад 40°С та за відсутності магнезіальної корозії; в) газонаповнені та нерозчинні органічні матеріали за умов дії агресивних середовищ; г) водорозчинні речовини за необхідності істотного уповільнення чи прискорення тужа­віння з урахуванням їх специфічної дії.

Для розрахунку складу полегшеного тампонажного розчину можна користуватися наступними формулами [200]. Густину тампо­нажного розчину розраховуємо за формулою:

(2.1)

а умови одержання заданої густини - за формулами:

(2.2)

(2.3)

, (2.4)

де р_тр, р_ц, р_д, р_т, р_р - густини (або відносні густини) відповідно тампо­нажного розчину, цементу, додатку, суміші цементу з додатком (твердої фази), рідини замішування, кг/м³; Р/Т - відношення маси рідини замішу­вання до маси цементу (твердої речовини); а_д - відношення маси додатку до маси цементу.

Достатня рухомість тампонажного розчину забезпечується за умови:

(2.5)

де К_ц та К_Д - водопотреба цементу і додатку (табл. 2.20) відповідно, кг/кг. Тут необхідна величина Р/Т становить:

(2.6)

Таблиця 2.20 - Коефіцієнт водопотреби деяких полегшувальних додатків

Умова достатньої седиментаційної стійкості тампонажною розчину виконується, якщо

( 2.7)

де р' _т - густина твердого компонента, для якого величина (р_т - р_р) має найбільшу абсолютну значину, кг/м³; η _р - динамічний коефіцієнт в'язкості рідинної фази, Пас; S_T - питома поверхня порошку сухої суміші, м²/кг; со -коефіцієнт іммобілізованої води; є = (Р/Т): [(Р/Т)+р_р/р_т]. Умова достатньої міцності каменю виконується, якщо

(2.8)

де σ ₀ - емпірична напруга, яка характеризує міцність монокристалів або їх зрощень, МПа; N, п - емпіричні коефіцієнти, які пов'язані зі складом, дисперсністю і морфологією частинок новоутворень (даються в спе­ціальній літературі [200]). Щоб забезпечити достатню міцність, необхідно виконати умову: є ≤ 0, 8.

У табл. 2.21 подано характеристику полегшених цементних розчинів [200], де зроблено такі позначення: р_тр - густина тампонажного розчину; а_д - відношення маси додатку до маси цементу; В/Т - відно­шення маси води замішування до маси цементу; D_p - діаметр розтікання тампонажного розчину (по конусу АзНДІ); η _к - консистенція розчину; УОК - умовні одиниці консистенції; т_плуж - час початку тужавіння; В_ж -водовіддача розчину; σ - напруга міцності каменю; k - коефіцієнт про­никності каменю; t - температура.

Промисловість випускає полегшений тампонажний портландцемент для нормальних температур, полегшений тампонажний цемент для по­мірних температур (типу ПЦГ), полегшений тампонажний шлаковий цемент (типу ПШЦ), цементно-золову тампонажну суміш і цементно-гумову тампонажну суміш [200].

Полегшені тампонажні цементи ПЦГ Ш-Об 5 - (50-100) і ПЦТ Ш-Об 6 -(5-100), а також надполегшені цементи на основі мікросфер призначені для цементування нафтогазових свердловин за вибійних температур 20-100°С в інтервалах затрубного простору, розташованих вище покрівлі продуктивних пластів (табл. 2.22) [563]. їх використання забезпечує зниження ймовірності виникнення поглинань; більшу висоту підняття тампонажного розчину в затрубному просторі; можливість виключення

Таблиця 2.21 - Властивості полегшених цементних розчинів з найбільш поширеними полегшувальними

додатками в зіставимих умовах

Покззники					Додаток
	Бентонітовий глинопорошок		Діатоміт			Трепел, опока
рт.р, 103 кг/м3	1, 3-1, 4	1, 4-1, 5	1, 5-1, 6	1, 3-1, 4	1, 4-1, 5	1, 5-1, 6	1, 3-1, 4	1, 4-1, 5	1, 5-1, 6
аД	0, 25-0, 33	0, 15-0, 25	0, 06-0, 20	0, 45 - 1	0, 33-0, 66	0, 25-0, 45	1-2	0, 6-1, 5	0, 45 - 1
В/Т	1, 3-1, 8	1, 0-1, 3	0, 8-1, 3	1, 2-1, 8	0, 9-1, 1	0, 7-1, 0	1, 2-1, 7	0, 85-1, 3	0, 7-1, 9
Dр, см	16-20	16-20	16-20	16-25	16-25	16-25	16-25	16-25	16-25
η к, УОК	2-5	2-6	3-12	2-12	8-20	-	2-5	2-10	5-12
τ п.іужза t = 75°С, год.	2-3	2-3	2-3	2-4	2-3	-	1, 0-2	1, 0-2	1, 5-3
Вд за ЗО хв, см 3, σ * МПа:	80-200	60-150	40 - 150	200-900	200-400	-	60-210	50-140	50-180
за? = 22 °С через 48 год.						-	-
за t = 75 °С через 24 год.						-
те саме, через 48 год.						-
к через 48 год, мкм2 за: t=22°C	0, 4 - 80	1-5	0, 2-1	0, 02-0, 1	0, 02-0, 04		5-100	2-6	0, 5-2
t= 75°С	0, 2-100	0, 01-0, 2	0, 004-0, 002	0, 7-4	0, 6-2		0, 02-2	0, 005-0, 002	0, 001-0, 005

Примітка. У чисельнику напруга згину σ _зг, у знаменнику напруга стискування σ _ст.

застосування МСЦ. Постачаються в одноразових контейнерах. Застосо­вуються на багатьох родовищах РФ та країн СНД.

Таблиця 2.22 - Характеристика полегшених і надполегшених цементів

(за ГОСТ 1581-96)

Окрім розглянутих полегшених цементних розчинів з метою ізоляції каналів водоприпливу в нафтових і газових свердловинах, а також під час будівництва підземних та гідротехнічних споруд використовують високо-рухомі тампонажні розчини - бентонітові і глиноцементні розчини.

Тампонувальна (закупорювальна) дія бентонітових розчинів (сус­пензій) основана на властивості тиксотропії і на набуханні частинок монтморилоніту. Тиксотропія характеризується співвідношенням статич­ної напруги зсуву суспензії через 10 хв. до статичної напруги зсуву через 1 хв. після приготування. Вона проявляється в тому, що суспензія, котра характеризується тиксотропними властивостями, швидко набуває опору зсуву після припинення течії, але структура, яка виникла, здатна оборотно руйнуватися під час поновлення течії і знову відновлюватися після зу­пинки. Статична напруга зсуву бентонітових тампонажних розчинів через 1 хв. становить 1-3 Па, через 10 хв. - 3-5 Па [200]. Процес набухання бентоніту орієнтовно характеризують такі дані:

Час, год. 1 2 5 10 24 48 82 96

Вміст води, % до маси

сухого бентоніту 210 240 300 370 480 550 600 620

Внаслідок тиксотропного загущення після зупинки нагнітання бенто­нітової суспензії в порових каналах і тріщинах гірських порід утворюються

пробки (корки) структурованої суспензії бентоніту, які знижують їх гідро-провідність. Частинки монтморилоніту, осідаючи в тонких порах і трі­щинах, з часом набухають і закупорюють їх. Здатність до тиксотропного загущення зростає із збільшенням ступеня гідратації і пептизації гли­нистих частинок, тобто із збільшенням часу витримування бентонітової суспензії перед нагнітанням. Тоді, однак, зменшується здатність части­нок глини до подальшого набухання. Тому в залежності від геолого-технічних умов бентонітову суспензію або нагнітають в пласт зразу після приготування, або витримують певний час.

Бентонітові суспензії мають значно вищий водовміст порівняно з полегшеними портландцементними розчинами і відповідно значно меншу густину; якщо В/Т становить від 3 до 10, то густина змінюється відпо­відно від 1200 до 1050 кг/м³ [200]. Концентрацію бентонітових тампонаж­них суспензій найчастіше виражають через вміст сухої речовини глини в одному кубометрі суспензії (розчину). Вона становить 100-300 кг/м³. Здатність до тиксотропного структуроутворення суспензії і до набухання частинок регулюється обробленням хімічними реагентами.

Глиноцементні розчини одержують додаванням до глинистої сус­пензії (не обов'язково бентонітової) 100-300 кг портландцементу на 1 м³ глинистої суспензії. Для цього застосовують як тампонажний портланд­цемент, так і інші види портландцементу і шлакопортландцементу марок 400-500 [200]. Головна принципова відмінність таких розчинів від гельце-ментних полягає в тому, що суцільною структуроутворювальною фазою тут служать глинисті мінерали, частинки портландцементного клінкеру відіграють роль наповнювача, а продукти гідратації розташовуються у міжчастинковому просторі глинистої суспензії. З часом, у міру перебігу процесу гідратації, гідроксид кальцію, який виділяється, викликає коагу­ляцію глинистих частинок, перехід їх із стану далекої коагуляції в стан ближньої, при цьому частинки злипаються. Тонкодисперсні продукти гідратації займають щораз більшу частину об'єму міжчастинкового про­стору, але безперервну структурну сітку утворюють тільки на пізніх стадіях твердіння (коли ступінь гідратації сягає достатньо високих значин) і тільки, якщо вміст цементу в розчині становить понад 200 кг/м³. Тому міцність таких суспензій після твердіння невелика (рідко перевищує 0, 5 МПа).

Суттєво відмінні властивості таких малоконцентрованих тампонажних суспензій характеризують і інші параметри якості, а також методи їх контролю. Так, поряд із звичайною для тампонажних розчинів розтічністю по конусу АзНДІ визначають умовну в'язкість польовим віскозиметром типу ВП-5, яка звичайно підтримується в межах 20-50 с Крім того, рухомість характеризують динамічною напругою зсуву, яка для таких тампонажних суспензій становить 5-200 Па. Динамічна напруга зсуву

визначає проникальну здатність тампонажних розчинів щодо пор і тріщин породи. З низькою седиментаційною стійкістю малоконцентрованих розчинів для тампонування гірських порід пов'язано використання такого специфічного показника їх властивостей, як „вихід каменю", що являє собою відношення об'єму розчину, який затвердів, до об'єму вхідного розчину, котрий виражають у відсотках. Для портландцементних тампо­нажних розчинів вихід каменю дорівнює 100% за В/Ц=0, 4, за В/Ц=2 він становить 60%, за В/Ц=4 - 40%, за В/Ц=5 - 30%. Додатки глини підви­щують вихід каменю. У разі вмісту 66% глини в масі твердої частини вихід каменю становить 100% за В/Т*2, а за В/Т=5 - 50% [200].

Щодо використання полегшених цементних розчинів слід сказати наступне. За низьких температур, як правило, необхідно використовувати цементи та суміші, які містять найменшу кількість полегшувальних додатків, за винятком випадків, коли додаток служить для регулювання інших властивостей, окрім густини. Тому за цих умов бажано викори­стовувати найефективніші з полегшувальних додатків - високодисперсні бентоніти і газонаповнені гранули (полімерні та мінеральні мікробалони, роздуті мінеральні матеріали). Найперспективнішим є використання полегшених цементів без полегшувальних додатків - високодисперсних цементів. Однак слід враховувати, що підвищення дисперсності цементу погіршує його збереженість.

Сказане залишається справедливим для умов з температурою до 60°С. Вище цієї температури реакція синтезу гідросилікатів кальцію з оксиду кальцію, кремнезему та води проходить досить швидко і її нале­жить використати для покращення властивостей цементного каменю з полегшених тампонажних цементів. Мова йде тут про використання кремнеземистих та глиноземисто-кремнеземистих полегшувальних додатків - матеріалів типу доломіту та порошкоподібного попелу. Крем­незем і частково глинозем, котрі містяться в цих додатках, реагуючи з оксидом кальцію, який виділяється під час гідролізу мінералів портланд­цементу, утворює додаткову кількість гідросилікатів кальцію - найцінні­ших структурних елементів цементного каменю. Якщо кількість крем­незему, який введено додаванням, така, що мольне співвідношення СаО/ Si0₂ становить 0, 6-1, 2, то міцність та термостійкість цементного каменю будуть найвищими за всіх температур. Додатки, які містять глинисті мінерали, знижують термостійкість цементного каменю.