1.8. Модифицированные тампонажные материалы

Цель модификации тампонажных материалов – приведение свойств базовых тампонажных цементов и приготовляемых из них растворов в соответствие с условиями их применения в скважине. Это касается, прежде всего, регулирования плотности тампонажных растворов, интенсивности структурообразования, а также реологических свойств.

Модифицировать можно на стадии производства тампонажных цементов путем введения твердых порошкообразных добавок, введением диспергируемых (в том числе растворяемых) в жидкости затворения реагентов, путем аэрирования раствора и т.д. Некоторые коррозионно-стойкие, термостойкие и расширяющиеся тампонажные цементы, по существу, являются модифицированными.

Облегченные тампонажные цементы и растворы

плотность тампонажного раствора можно уменьшить увеличением содержания жидкости затворения по отношению к твердой фазе, 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.

Более высокая прочность получается при снижении плотности путем введения воздуха. Существенный недостаток аэрированных тампонажных растворов – их сжимаемость. На большой глубине или при высоком гидростатическом давлении объем аэрированного тампонажного раствора существенно уменьшится, а плотность повысится. Этот недостаток можно устранить, заключив пузырьки воздуха в прочные оболочки.

В последнее время применяются пластмассовые, стеклянные, керамические, кварцевые микробаллоны (микрокапсулы). Для эффективного снижения плотности с сохранением высокой прочности необходимо, чтобы микробаллоны имели плотность не более 600 кг/м³.

Таким образом, для снижения плотности:

• до 1650-1700 кг/м³ можно использовать все известные способы;

• до 1400-1500 кг/м³ можно применять облегчающие добавки плотностью менее 2000 кг/м³, повышать водосодержание, а на небольших глубинах также использовать аэрирование тампонажного раствора;

• ниже 1400 кг/м³ желательно использовать полые или газонаполненные микробаллоны.

Гельцементными называются 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 тампонажному цементу 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. 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.

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

Недостатком гельцементных растворов пониженной плотности является низкая температурная и коррозионная устойчивость цементного камня. Резкое снижение прочности при повышенной температуре твердения начинается раньше и происходит быстрее, чем у растворов из обычного цемента. Значительно быстрее разрушается цементный камень из гельцемента под действием агрессивной солевой среды, особенно в присутствии ионов Mg.

Лучшей по сравнению с бентонитовыми термо- и солестойкостью обладают цементные растворы, в которых облегчающей добавкой служит палыгорскит (аттапульгит).

Цементные растворы с кремнеземистыми облегчающими добавками. Недостаток пуццолановых цементов (вяжущего вещества для строительных растворов и бетонов) – высокая водопотребность. Это явилось причиной использования их для приготовления тампонажных цементных растворов пониженной плотности. Из пуццолановых добавок наибольшей водопотребностью обладают диатомиты и подобные им материалы. Они широко применяются в тампонажных растворах пониженной плотности.

Диатомиты представляют собой осадочные породы, состоящие из панцирей микроскопических диатомитовых водорослей. В 1 см³ диатомита может содержаться до 30 млн панцирей (киссатибский диатомит). Вследствие этого диатомитовый порошок имеет большую удельную поверхность, что делает возможным введение в диатомито-цементный раствор большого количества воды без потери седиментационной устойчивости системы.

Преимущество диатомита по сравнению с бентонитом заключается в том, что диатомит состоит исключительно из активного микрокристаллического кремнезема, который связывает гидроксид кальция, выделяющийся при гидролизе минералов портландцемента, с образованием гидросиликата. Эта реакция при низкой температуре идет медленно, что способствует образованию более прочного камня, чем на основе гельцемента, за счет выделения дополнительного количества связующего вещества.

Однако эти свойства цементного камня сохраняются длительное время только при температуре 120 С и ниже. При более высоких температурах прочность камня снижается.

Облегченные полимерцементные растворы. Полимерце­ментные облегченные композиции, разработанные в СПГГИ совместно с заводом «Оргполимерсинтез СПБ», позволяют снизить плотность раствора до 1500-1550 кг/м³ за счет введения в состав смеси 1,0-1,2 % суперабсорбента «Петросорб». Сорбционная способность данного реагента составляет 170-200 по дистиллированной воде и 120-150 по технической, что обеспечивает получение седиментационно-устойчивых суспензий с В/Ц = 0,8-1,0.

Такие облегченные полимерцементные составы получают путем введения полимера в приготовленный цементный раствор непосредственно перед закачиванием в скважину