5 - для нормальных температур (от 15 до 50), 3 - для умерен­ ных температур (от 50 до 100) , 4 - для повышенных темпера­

нажные цементы разделяются на группы: 1 - легкие (ниже 1400), 2 - облегченные (1400-1650), 3 - нормальные (1650— 1950), 4 - утяжеленные (1950-2300), 5 - тяжелые (выше 2300).

4. По устойчивости тампонажного камня к воздействию агрессивных пластовых вод тампонажные цементы разделя­ ются на группы: 1 - устойчивые только к хлоркальциево-нат- риевым водам; 2 - устойчивые к сульфатным водам, а также К хлоркальциево-натриевым; 3 - устойчивые к кислым (угле­ кислым, сероводородным) водам; 4 - устойчивые к магнези­ альным водам; 5 - устойчивые к полиминеральным водам.

5. Кроме того, применяют тампонажные растворы, в ко ­ торых в качестве жидкости затворения применяют воду с солями (до насыщения), тампонажные растворы на нефтяной основе, аэрированные тампонажные растворы, органомине­ ральные композиции (вплоть до исключения минерального компонента), быстросхватывающиеся составы для борьбы с поглощением при бурении скважин и др.

В соответствии с ГОСТ 1581-98 выпускаются тампонажные цементы для "холодных" и "горячих" скважин. На базе имен­ но этих цементов составляют многочисленные смеси (но не все) для борьбы с поглощениями пластов.

3.2. ТАМПОНАЖНЫЕ СМЕСИ ДЛЯ ЛИКВИДАЦИИ ПОГЛОЩЕНИЙ ПРИ БУРЕНИИ СКВАЖИН

3.2.1. ТАМПОНАЖНЫЕ СМЕСИ НА ОСНОВЕ МИНЕРАЛЬНЫХ ВЯЖУЩИХ

Для исследования процесса структурообразования при гидратации минеральных вяжущих веществ приме­ няют метод конического пластомера П.А. Ребиндера, осно­ ванный на измерении пластической прочности системы на сдвиг при погружении в нее конуса. Методика исследования пластической прочности позволяет получить более полное

сас-творы ускорителей схватывания - хлорида кальция СаС12, кадЬцинированной соды Na2C 0 3l углекислого калия К2СОэ |ПОташ), хлорида алюминия А1С13, хлорида натрия NaCl, ф то­ ристого натрия NaF, каустической соли NaOH, жидкого стекдд сернокислого глинозема A12(S04)3, высокоминераддеованной воды хлоркальциевого типа и др.

диализ кривых загустевания БСС показал, что в услови­ ях перемешивания с частотами вращения 30-200 об/мин, соответствующими диапазону изменения скоростей раствора в скважинах при цементировании различных зон поглоще­ ний, физико-химические процессы в смесях происходят на­ столько быстро, что заметного различия в скоростях загустева1ц{я этих смесей при различной частоте вращения мешалки

неТЭто свойство БСС ценно при изоляции зон поглощения,

так как имеется определенная гарантия того, что при скоро­ стях движения смеси в скважине, отличных от скорости движения ее в консистометре, существенных аномалий в со­ стоянии смеси не наблюдают, если на состояние смеси не повлияют температура, давление, попадание пластовых вод и другие факторы.

На рис. 3.2 показано влияние количества хлористого каль­ ция, водоцементного отношения, интенсивности перемеши­ вания и температуры на подвижность цементного раствора, приготовленного из цемента Вольского завода "Комсомолец" Одновременно прочность структуры замеряли коническим пластометром.

Цементный раствор в период коагуляционного структурообразования после определенного времени перемешивания быстро загустевает, причем в зависимости от содержания СаС12 образующаяся структура разрушается при различных крутящих моментах. Чем выше содержание СаС12, тем при больших значениях крутящего момента разрушается струк­ тура. После разрушения структуры вязкость раствора снижа­ ется и долгое время (5-6 ч) остается без изменения.

При приготовлении БСС на основе тампонажного порт­ ландцемента ускорители схватывания вводят в воду затворения или в затворенный цементный раствор. П орош кообраз­ ный ускоритель можно смешивать с сухим тампонажным цементом. Количество вводимого ускорителя колеблется в пределах 2-10 %. БСС обычно применяют в скважинах с температурой 50-70 °С.

Таким образом, в зависимости от количества добавляемого ускорителя, температуры, времени перемешивания и водоце-

а

меК{Ног° отношения разрушение формирующейся структуры происходит при различных крутящих моментах, характери­ зующих сопротивляемость его передвижению. Это обстоя­ тельство, а также повышенная подвижность цементных рас­ творов с добавкой 4-6 % хлористого кальция дают основание рекомендовать эти растворы для перекрытия зон поглоще­ ния, представленных высокопроницаемыми мелкопористыми породами.

Цементные растворы с содержанием 8-10 % хлористого

кальция могут быть рекомендованы для изоляции высокопоpHcfbix или мелкотрещиноватых пород, однако успешность изоляционных работ может быть достигнута в том случае, если в период транспортировки раствора в зоне поглощения не произойдет разбавления его водой.

БСС могут быть получены на основе специальных цемен­ тов - глиноземистого, гипсоглиноземистого и пуццоланового.

Глиноземистый цемент используют как добавку к тампо­ нажному цементу в количестве не более 10-20 % от массы смеси. При этом начало схватывания при В/Ц = 0,5 может быть снижено до 20 мин. Предел прочности при твердении в пластовой воде через 2 сут составляет 1,4-1,7 МПа. При вводе в глиноземистый цемент до 4 % фтористого натрия начало схватывания составляет до 35 мин, при этом растекаемость, плотность смеси и прочность камня изменяются незначитель­ но. Гипсоглиноземистый цемент из-за высокой стоимости чаще применяют в смеси с другими цементами. Так, быстросхватывающуюся расширяющуюся смесь можно получить при добавлении 20-30 % гипсоглиноземистого цемента в тампо­ нажный, при этом расширение камня составляет до 5 %. Для облегчения такой смеси в нее добавляют до 30 % диатомита с

50 мин до 1 ч 25 мин. Расширяющийся быстросхватывающийся цемент с началом схватывания до 20 мин можно полу­ чить введением в глиноземистый цемент до 25 % строитель­ ного гипса.

Пуццолановый цемент получают добавлением к тампонаж-

Рис. 3.2. График влияния различных факторов на подвижность цементных растворов:

а - содержания хлористого кальция, %; J - 10; 2 - 8; 3 - 6; 4 - 12; б - темпе­ ратуры, °С: 1 - 50; 2 - 40; 3 - 30; 4 - 20; 5 - 16; 6 - 12; в - водоцементного отношения: 1 - 0,5; 2 - 0,6; 3 - 0,7; г - частоты вращения мешалки консисто­ метра, об/мин: 1 - 203; 2 - 61; 3 - 106; 4 - 32; д -изменения пластической прочности от содержания СаСЦ, %, и В/Ц: 1 - 10%; 2 - 8 % ; 3 - 6 % ; В/Ц = = 0,5; 4 - 4 %; 5 - 10 %; В/Ц = 0,6 %; 6 - 10 %; В/Ц = 0,7

ному цементу активных минеральных добавок (опока, тре­ пел, диатомит) в количестве 30-50 % от массы цемента. Для регулирования сроков схватывания используют ускорители схватывания (хлорид кальция, кальцинированная сода и др.) в количестве 4-6 % от массы сухой цементной смеси. Пуццолановые смеси отличаются более интенсивным загустеванием и меньшей плотностью (1,65-1,7 г/см3) по сравнению с це­ ментными растворами без активных минеральных добавок.

Гипсовые растворы. Для изоляции пластов с температурой 25-30 °С применяют смеси на основе высокопрочного строи­ тельного или водостойкого гипса с добавлением замедлителей схватывания. Так как свойства гипса заметно меняются во времени, необходимо перед проведением изоляционных ра­ бот сделать экспресс-анализ с целью корректировки сроков схватывания смесей. В качестве замедлителей схватывания применяют триполифосфат натрия (ТПФН), тринатрийфосфат, КМЦ, ССБ и др. В табл. 3.2 приведены показатели свойств гипсовых растворов при атмосферных условиях.

Особенность гипсовых растворов - высокая скорость структурообразования, причем они сохраняют это свойство при значительном содержании воды .' Снижение скорости структурообразования и нарушение прочности структуры происходят только при содержании воды более 160 % от массы сухого гипса. Цементные растворы более восприимчи­ вы к повышенному содержанию воды, поэтому разбавление

Т а б л и ц а 3.2

их э процессе тампонирования отрицательно влияет на каче­ ство изоляционных работ. Хорошими физико-механичес- кими свойствами обладают гипсовые растворы с добавками полимеров.

Гипсоцементные смеси. Положительными качествами це­ ментного и гипсового растворов обладают гипсоцементные смеси, имеющие короткие сроки схватывания и твердения и дающие высокопрочный камень через 3-4 ч после затворения смеси.

Наличие минералов цементного клинкера способствует на­ ращиванию прочности гипсоцементного камня при твердении в водных условиях, что выгодно отличает гипсоцементные смеси от гипсовых растворов. Проницаемость гипсоцемент­ ного камня через 4 ч после затворения не превышает (5^9)10_3 мкм2, а через 24 ч - 0,5-10"3 мкм2.

Гипсоцементные растворы приготавливают смешением гипса и тампонажного цемента в сухом виде с последующим затворением полученной смеси на растворе замедлителя или смешением раствора гипса, затворенного на растворе замед­ лителя, и раствора тампонажного цемента. В табл. 3.3 пред­ ставлены свойства гипсоцементных смесей, полученных сме­ шением сухого гипса и цемента в соотношении 1:1, а в табл. 3.4 - смешением раствора цемента и гипса в соотношении 1:1 (цемент Вольского завода, В/Ц = 0,5, гипс строительный, В/Г = 0,7).

На рис. 3.3 приведены изменения пластических свойств гипсоцементных смесей. Для предотвращения схватывания гипсоцементного раствора в бурильных трубах необходимо

Свойства пшсоцементных смесей, полученных смешением раствора цемента и гипса

ром затворяли гипс. Стойкость гипсоцементных растворов к разбавлению водой значительно выше, чем у цементных рас­ творов. Резюмируя сказанное, отметим:

1) кривые загустевания гипсоцементных смесей, так же как и кривые пластической прочности, показывают, что пе­ реход от коагуляционного периода структурообразования к кристаллизационному происходит за небольшой период;

2)изменение температуры в пределах 10-50 °С оказывает существенное влияние на процесс;

3)увеличение содержания воды отодвигает начало загусте­ вания смесей, причем формирующаяся структура в процессе перемешивания разрушается только при В/Ц = 0,8 и выше;

4)быстрое загустевание смеси даже при значительном со­ держании воды (В/С = 0,8-Ю,9) свидетельствует о высоких тампонирующих свойствах гипсоцементных смесей и выгод­ но отличает их от цементных растворов, которые весьма чувствительны к разбавлению водой.

Так как гипсоцементные растворы обладают коротким периодом перехода от тиксотропной коагуляционной струк­ туры к прочной конденсационно-кристаллизационной струк­ туре, они могут быть рекомендованы для перекрытия круп­ нокавернозных и сильнотрещиноватых поглощающих участ­ ков ствола скважины.

Перемешивание гипсоцементных смесей приводит к их загустеванию на время, несколько меньшее начала схватыва­ ния в статических условиях. Загустевание смеси свидетельст­ вует о развитии в системе конденсационно-кристал­ лизационной структуры, дальнейшее перемешивание раство-

Pile. 3.3. График влияния перемешивания на изменение пластической проч­

ности гипсоцементных смесей:

а - гипс строительный - 50 %, цемент К = 50 %, В/С = 0,5 + 1,5 % ССБ; б -

ра приводит к падению прочности получаемого гипсоцемент­ ного камня.

Глиноцементные растворы. Глиноцементные растворы го­ товят из тампонажного цемента, бентонита и ускорителей схватывания смешением сухих компонентов с последующим их затворением или добавлением бентонита в цементный раствор. Наличие в смеси глинистых частиц способствует бо ­ лее быстрому росту структуры. Глиноцементные растворы менее чувствительны к воздействию бурового раствора. Бен­ тонит снижает проницаемость тампонажного камня, уплотня­ ет его структуру. Свойства глиноцементных растворов с В/Ц = 0,5 и содержанием 4 % СаС12 приведены в табл. 3.5.

Добавка к глиноцементной смеси 0,5-1 % сернокислого глинозема усиливает начальную подвижность смеси, повыша­ ющуюся также с увеличением содержания бентонитовой гли­ ны.

Свойства глиноцементных растворов с В/Ц = 0,5 и содержанием 4 % CaClj

Глиноземистые смеси с сернокислым глиноземом сохра­ няют стабильные вязкостные свойства в течение времени, достаточного для их доставки в зону поглощения. Затем про­ исходит интенсивный рост вязкости и смесь при заданном избыточном давлении продавливают в пласт.

Время прокачивания таких смесей составляет 80-100 мин, т.е. сернокислый глинозем оказывает стабилизирующее дей­ ствие на раствор в период его прокачивания. Свойства гли­ ноцементных растворов при температуре 75 °С приведены в табл. 3.6.

Для приготовления раствора цемент и глинопорошок за-

Т а б л и ц а З.б

сыЦают в бункер цементосмесительной машины, а сернокис­ лый глинозем растворяют в воде затворения.

Для изоляции зон интенсивных поглощений во ВНИИБТ разработан глиноцементный тампонажный раствор с высо­ ким показателем водоотдачи (ТРВВ). Его готовят смешением в тройнике цементного раствора плотностью 1,35-1,45 г/см3 и бентонитового раствора плотностью 1,18-1,2 г/см3 в соотно­ шении 1:2 (для более сложных зон поглощений в соотнош е­ нии 1:1). ТРВВ имеет высокие вязкость и показатель фильт­ рации, в результате чего фильтрат уходит в пласт, а проница­ емая прискважинная зона закупоривается цементными и гли­ нистыми частицами и наполнителем, вводимым в раствор. Следом за ТРВВ закачивают обычный глиноцементный рас­ твор, затворенный на водном растворе хлорида кальция.

Цементно-полимерные растворы получают при введении в

цементные растворы полимерных добавок, что позволяет улучшить свойства как растворов, так и тампонажного кам ­ ня. Высокая термостойкость, непроницаемость полимеров улучшают соответствующие свойства цементных композиций, их структурные свойства и изолирующую способность. Важ­ ное качество таких растворов то, что их фильтрат обладает крепящими свойствами. Это способствует отверждению гли­ нистой корки и сцеплению тампонажного камня со стенками скважины.

В б. ВНИИКРнефти разработана цементно-смоляная ком ­ позиция ЦСК-1, состоящая из тампонажного камня с добав­ кой алифатической эпоксидной смолы ТЭГ-1 и отвердителя полиэтиленполиамина (ПЭПА). В табл. 3.7 приведены свойст­ ва ЦСК-1 на основе стерлитамакского цемента с отвердите-

бен<онит»Цемент или их смесь. При прокачивании через бу­

по 0,5 м3, объем смеси не должен превышать 5 м3. После вытес0ения смеси из бурильных труб в затрубное пространство ПрСкачивают 0,5-1 % бурового раствора.

Образование плотного геля при соединении смеси с водой Пр0исходит благодаря тому, что она очень быстро абсорби­

"за^азка" превращается в густую, малоподвижную резинообра3ную массу, устойчивую к деформациям и перемещениям под действием сил, возникающих при перепаде давлений.

Содержащиеся в буровом растворе механические частицы (обломки выбуренной породы и т.п.) способствуют некото­ р о й упрочнению образующейся массы. Через два часа, осо­ бенно при высокой минерализации находящейся в зоне по­ м ещ ения жидкости, загустевший материал напоминает по св(?им механическим свойствам обычный ластик из искусст­ венной резины и обладает упругими свойствами, близкими к свойствам обычной корковой пробки. Для получения макси­ мального количества геля необходимо, чтобы соотношение объемов исходной смеси и воды не выходило за пределы

8:1 - 1: 1.

Смесь бенгам (фирма "Холибуртон", США) может быть эффективно использована в сочетании с буровыми раствора­ ми, приготовленными с использованием как пресной, так и соленой воды, обработанными каустической содой, известью и другими химическими реагентами, а также с водо­ нефтяными и инвертными эмульсионными растворами.

Эффективность смеси бенгам не зависит от значения pH бурового раствора. Бенгам может быть использован в соче­ тании с растворами, содержащими любые обычные наполни­ тели или закупоривающие материалы.

В сложных случаях в смесь бенгам можно вводить, кроме перечисленных выше закупоривающих материалов, древесное волокно, волокнистый материал из кожи, щетину, перлит, ореховую скорлупу или чешуйки слюды, при этом изоляци­ онные свойства смеси не ухудшатся.

Большое значение имеет нечувствительность смеси к по­ вышению температуры. Смесь бенгам успешно использова­ лась в скважинах с пластовыми температурами, достигавши­ ми 177 °С.

Приготовление смеси бенгам несложно и производится с

помощью обычного оборудования для цементировочных р а ­ бот. Обычно смесь приготавливают порциями 1,6-3,2 м3 с помощью гидравлической струйной мешалки. Смесь может закачиваться в скважину немедленно или, если это нужно, заливаться в стационарные емкости или цистерны, установ­ ленные на автомашинах для хранения или транспортировки к месту использования.

Способ ликвидации поглощения с помощью бенгама сво­ дится к следующему.

Готовую смесь закачивают в скважину через бурильные или насосно-компрессорные трубы.

Закачку смеси обычно производят одним буровым насо­ сом. Вторым насосом закачивают в затрубное пространство воду или буровой раствор.

Наиболее эффективное использование смеси бенгам пре­ дусматривает соблюдение следующих условий.

1.Точное определение местоположения поглощающего пласта.

2.Если вся зона поглощения находится на глубине забоя скважины, следует попытаться пройти ее всю.

3.Перед закачкой смеси в скважину желательно спустить бурильные трубы, без долота с открытым концом или об о ­ рудованные перфорированным смесительным ниппелем.

4.К моменту установки конца бурильной колонны на за ­ данной глубине (обычно несколько выше кровли поглощаю­ щего пласта) смесь должна быть заготовлена, чтобы начать закачку ее в скважину между двумя порциями буферной жидкости (рис. 3.4). В качестве буферной жидкости обычно используется дизельное топливо, каждая порция которого равняется 3-8 м3.

5.Скорость закачки смеси выдерживается в пределах 1,6— 3,2 м3/мин.

6.При достижении смесью и порцией дизельного топлива нижнего конца бурильных труб необходимо начать закачку в кольцевое пространство бурового раствора со скоростью, обеспечивающей заданное соотношение между ним и бецгамом.

На практике в некоторых случаях это соотношение не­ прерывно изменялось циклами, оставаясь в указанных выше пределах, в зависимости от достигавшихся при задавке бен­ гама давлений.

7. В процессе выхода смеси производится расхаживание бу­ рильной колонны, что способствует лучшему перемешиванию смеси с водой или раствором и ускоряет гелеобразование.

Рис. 3.4. Схема изоляции зоны катастрофического поглощения в кавернозном пласте с помощью смеси бенгам:

а - одновременная закачка смеси бенгам по колонне бурильных труб со

скоростью 0,16-0,32 м/мин и бурового раствора в затрубное пространство со скоростью 0,04-0,08 м/мин; б - продолжение закачки смеси бенгам и бу­

рового раствора с низкими скоростями до возникновения давления с расха­ живанием бурильных труб, поддерживание давления и задавливание смеси в пласт; в - выдержка скважины в течение 2-4 ч и возобновление бурения; 1- буровой раствор; 2 - дизельное топливо; 3 - открытый (или оборудо­ ванный смесительным патрубком) конец бурильной колонны; 4 - зона по­

глощения

Кроме того, расхаживание колонны уменьшает опасность ее прихвата в случае ошибок при измерении длины буриль­ ных труб или определении местоположения поглощающего пласта.

8.Продавка бенгама должна продолжаться до тех пор, пока вся приготовленная порция не вытеснится из буриль­ ных труб, чтобы произвести задавку геля в поглощающий пласт.

9.Максимальное давление, достигнутое в процессе продавки, следует поддерживать в течение 5 мин для определения эффективности закупорки поглощающего пласта.

10.По истечении 1-2 ч необходимо увеличить испытатель­ ное давление до такого значения, чтобы оно превышало нормальное в процессе циркуляции, но не было бы больше пластового.

Свойства смеси СКМ-10

* Разрушение образца на МИИ-100 и ПСУ-10 не происходит ввиду его высокой упругости.

время происходит потеря текучести, а затем интенсивное от­ верждение смолы и быстрое нарастание прочности тампо­ нажного камня (табл. 3.8).

Для улучшения изолирующей способности в смесь реко­ мендуется вводить наполнители - опилки, кордное волокно, резиновую крошку и др. При разбавлении смеси минерали­ зованной водой в соотношении 1:1 и 1:2 сроки схватывания увеличиваются соответственно на 10 и 40 %. При этом проч­ ность тампонажного камня значительно снижается, однако остается удовлетворительной для перекрытия поглощающих каналов.

Тампонажную смесь ТС-ФА приготавливают на основе во­ донерастворимого фурфуролацетонового мономера (мономер ФА), отверждаемого 30%-ным водным раствором хлорного железа. Термостойкость мономера ФА превышает 200 °С, плотность 1,09-1,17 г/см 3. При хранении до одного года он почти не изменяет свои свойства и не теряет способности к отверждению. При температуре свыше 140 °С следует учиты­ вать влияние избыточного давления на сроки схватывания смеси (табл. 3.9).

Вследствие низкой вязкости тампонажного состава целе­ сообразно вводить в него до 10 % наполнителей (кордного волокна). При этом следует корректировать сроки схватыва­ ния до заданных значений, так как некоторые наполнители