10.7. Тампонажные материалы и оборудование для цементирования скважин

Тампонажные материалы. Это такие материалы, которые при затворении водой образуют суспензии, способные затем превра­щаться в твердый непроницаемый камень.

В зависимости от вида вяжущего материала Тампонажные це­менты образуются на основе:

- портландцемента;

- доменных шлаков;

- известково-песчаных смесей;

- прочих материалов (белитовые и др.).

Для цементирования скважин применяют только два первых вида — тампонажные цементы на основе портландцемента и до­менных шлаков.

К цементным растворам предъявляют следующие основные тре­бования:

- подвижность раствора должна быть такой, чтобы его можно было закачивать в скважину насосами, и она должна сохраняться от момента приготовления раствора (затворения) до окончания про­цесса продавливания;

структурообразование раствора, т. е. загустение и схватывание после продавливания его за обсадную колонну, должно проходить быстро;

- цементный раствор на стадиях загустения и схватывания и сфор­мировавшийся камень должны быть непроницаемы для воды, не­фти и газа;

- цементный камень, образующийся из цементного раствора, дол­жен быть коррозионно- и температуроустойчивым, а его контакты с колонной и стенками скважины не должны нарушаться под действием нагрузок и перепадов давления, возникающих в обсадной колонне при различных технологических операциях.

К важнейшим свойствам цементного раствора относятся: водосодержание (водоцементное отношение), водоотдача, плотность, подвижность (растекаемость), сроки схватывания, время загусте­ния, седиментационная устойчивость (способность частиц цемент­ного раствора не оседать в жидкости затворения под действием сил тяжести), структурная вязкость, механическая прочность, прони­цаемость, объемные изменения, коррозионная устойчивость и др.

В зависимости от добавки тампонажные цементы и их раство­ры подразделяют на песчаные, волокнистые, гельцементные, пуццолановые, сульфатостойкие, расширяющиеся, облегченные с низкой водоотдачей, водоэмульсионные, нефтецементные и пр. Номенклатура тампонажных цементов на основе портландцемента и шлака содержит:

- тампонажные портландцементы для «холодных» и «горячих» скважин («холодный» цемент — для скважин с температурой до 50°, «горячий» — для температур до 100 "С, плотность раствора 1,88 г/см³);

- облегченные цементы для получения растворов плотностью 1,4... 1,6 г/см³ на базе тампонажных портландцементов, а также на основе шлакопесчаной смеси (до температур 90... 140 °С). В каче­стве облегчающих добавок используют глинопорошки или моло­тые пемзу, трепел, опоку и др.;

- утяжеленные цементы для получения растворов плотностью не менее 2,15 г/см³ на базе тампонажных портландцементов для температур, соответствующих «холодным» и «горячим» цементам, а также шлакопесчаной смеси для температур 90... 140 °С. В каче­стве утяжеляющих добавок используют магнетит, барит и др.;

- термостойкие шлакопесчаные цементы для скважин с темпера­турой 90... 140 и 140... 180°С;

- низкогигроскопические тампонажные цементы, предназначен­ные для длительного хранения.

Регулируют свойства цементных растворов путем изменения водоцементного отношения (В:Ц), а также добавлением раз­личных химических реагентов, ускоряющих или замедляющих сроки схватывания и твердения, снижающих вязкость и показа­тель фильтрации.

На практике в большинстве случаев применяют цементный ра­створ с В:Ц = 0,4...0,5. Нижний предел В:Ц ограничивается те­кучестью цементного камня и удлинением срока схватывания. К ус­корителям относятся: хлористые кальций, калий и натрий; жид­кое стекло (силикаты натрия и калия); кальцинированная сода; хлористый алюминий. Эти реагенты обеспечивают схватывание це­ментного раствора при отрицательных температурах и ускоряют схватывание при низких температурах (до -40 °С).

Замедляют схватывание цементного раствора такие химические реагенты, как гидролизованный полиакрилонитрил, карбоксиме-тилцеллюлоза, полиакриламид, сульфитоспиртовая барда, концен­трированная сульфинспиртовая барда, нитролигнин. Перечислен­ные реагенты оказывают комбинированное действие. Все они по­нижают водоотдачу и одновременно могут увеличивать или умень­шать подвижность цементного раствора.

Для приготовления цементного раствора химические реа­генты растворяют предварительно в жидкости затворения (воде). Утяжеляющие, облегчающие и повышающие температуростойкость добавки смешивают с вяжущим веществом в процессе про­изводства (специальные цементы) или перед применением в ус­ловиях бурового предприятия (сухие цементные смеси). От пра­вильного выбора тампонажного цемента и добавок к нему зави­сит качество строящейся скважины. Поэтому выбор рецептуры тампонажного раствора следует проводить только на основании тщательных лабораторных исследований. Особое внимание следу­ет уделять смешиванию цемента с добавками. В американской прак­тике непосредственно перед приготовлением тампонажного ра­створа перекачивают сухую смесь в пустой цементосмеситель и об­ратно. Этим достигают равномерного распределения добавок.

Оборудование для цементирования скважин. К оборудованию, необходимому для цементирования скважин, относятся: цементи­ровочные агрегаты, цементосмесительные установки, цементиро­вочная головка, заливочные пробки и другое мелкое оборудова­ние (краны высокого давления, устройства для распределения ра­створа, гибкие металлические шланги и т.п.).

При помощи цементировочного агрегата произво­дят затворение цемента (если не используется цементосмесительная установка), закачивают цементный раствор в скважину и про­давливают его в затрубное пространство. Кроме того, цементиро­вочные агрегаты используются и для других работ (установка це­ментных мостов, нефтяных ванн, испытание колонн на герметич­ность и др.).

Учитывая характер работ, цементировочные агрегаты изготав­ливают передвижными, с монтажом всего необходимого обору­дования на грузовой автомашине. На открытой платформе авто­машины смонтированы: поршневой насос высокого давления для прокачки цементного раствора в колонну обсадных труб; ротаци­онный насос, которым подают воду в цементную мешалку во время приготовления цементного раствора; замерные баки, при помощи которых определяют количество жидкости, закачиваемой в колонну для продавки цементного раствора; двигатель для при­вода насоса (рис. 10.18).

Для цементирования обсадных колонн в отечественной прак­тике применяют цементировочные агрегаты (ЦА) различных типов: ЦА 320А; ЦА 320С; ЗЦА 400А; УНБ 2-630-50; УНБ-2-160; УНБ2-400-40. Они отличаются друг от друга прежде всего гидравлической мощностью насосов.

Рис. 10.18. Схема действия цементировочного агрегата при затворении и закачке цементировочного раствора: 1 — замерный бак; 2 — цементный на­сос; 3 — коробка отбора мощности; 4 — коробка передач автомобиля; 5 — двига­тель; 6 — ротационный насос; 7 — цементосмеситель; 8 — цементный бачок

Для централизованной обвязки цементировочных агрегатов с устьем скважины применяют блок манифольдов. Он состоит из коллектора высокого давления для соединения ЦА с устьем скважины и коллектора низкого давления для распределения воды и продавочной жидкости, подаваемой к ЦА. Блок мани­фольдов, как правило, оборудован грузоподъемным устройством. В отечественной практике цементирования скважин для приго­товления тампонажных растворов применяю цементно-сме­сительные установки, снабженные смесительными устрой­ствами гидровакуумного типа. Выпускаются: агрегат смеситель­ный ЗАС-30, установка цементно-смесительная УС630, изготавли­вается по индивидуальным заказам агрегат смесительный АСМ-25 (рис. 10.19).

Рис. 10.19. Агрегат смесительный АСМ-25:

1 — шасси несущего автомобиля; 2 — редуктор; 3 — сальниковое уплотнение валов мешалок; 4 — коробка раздаточная цепная; 5 — загрузочный шнековый транспортер; 6 — редуктор загрузочного шнекового транспортера; 7 — смотровой люк; 8 — моеч­ный люк; 9 — указатель уровня; 10 — заливочный трубопровод; 11 — вал мешалки; 12 — резервуар; 13 — выносная опора; 14 — шламовый люк; 15 — донный клапан; 16 — патрубок для соединения с приемным манифольдом ЦА; 17 — коробка раз­даточная цепная; 18 — коробка отбора мощностей

Цементировочные головки предназначены для про­мывки скважины и проведения цементирования. Спущенная об­садная колонна оборудуется специальной цементировочной го­ловкой, к которой присоединяются нагнетательные трубопро­воды (манифольды) от цементировочных агрегатов. В настоящее время применяются цементировочные головки типа ГЦУ-140-146; ГЦУ-16в; ГЦУ-245; ГЦУ-243; ГЦУ-324; ГЦУ-340 (рис. 10.20).

Рис. 10.20. Головка цементировочная устьевая: / — крышка; 2 — накидная гайка; 3 — пробковый кран; 4 — цементировочная пробка; 5 — стопорный винт; 6 - элементы обвязки; 7 — корпус

Конструкция цементировочной головки типа ГЦУ рассчитана на максимальное давление 40 МПа. Диаметр обвязываемых ко­лонн этими головками от 140 до 340 мм. Головка состоит из корпуса 7, крышки 1 с разде­лительным устройством, трех­ходовым краном и маномет­ром, двух стопорных винтов 5, пробковых кранов 3, цементи­ровочной пробки 4, элементов обвязки 6 и накидной гайки 2. Корпус головки имеет семь от­водов, к четырем из которых, расположенным в нижней ча­сти, присоединены угловые трехходовые пробковые кра­ны, а к верхнему боковому — проходной пробковый кран. В остальные два отвода ввин­чены стопоры для поддержа­ния цементировочной пробки. Заливочные (раздели­тельные) пробки предназначены для отделения бурового ра­створа и продавочной жидкости от цементного раствора при це­ментировании обсадных колонн и получения сигнала об окончании продавки цементного раствора (рис. 10.21). При двухступенчатом цементировании используются специальные цементировочные пробки (см. рис. 10.12).

Рис. 10.21. Цементировочные пробки: а — нижняя самоуплотняющаяся с металлическим остовом; б — верхняя; в — самоуплотняющаяся резиновая