Лекция 7. Классификация тампонажных цементов. Определение свойств тампонажного раствора и камня. Методы испытания тампонажных материалов.

Из многообразия минеральных вяжущих важнейшее место занимает портландцемент вследствие хорошего сочетания строительно-технических свойств:

• сравнительно высокая скорость твердения при достаточно большом времени сохранения подвижности после смешения с водой;

• водостойкость, способность твердеть как на воздухе, так и под водой;

• хорошая сочетаемость с различными наполнителями, способность к довольно прочному сцеплению с разнородными по физико-химической природе поверхностями, в том числе со сталью;

• достаточная долговечность затвердевшего материала при разнообразных условиях окружающей среды;

• доступность сырьевой базы и наличие технологии крупнотоннажного, полностью механизированного производства.

Портландцемент служит базовым материалом для большинства специальных модифицированных тампонажных цементов, в то же время он и без модификации может применяться в широком диапазоне условий проведения тампонажных работ.

Промышленностью для крепления скважин выпускаются базовые тампонажные материалы, к которым относятся: портландцемент, шлакопортландцемент, глиноземистый, гипсоглиноземистый, магнезиальный, гипсовый, цементы на основе водорастворимых силикатов, полимерорганические цементы.

На основе базовых тампонажных материалов производятся модифицированные цементы (с различными добавками): облегченные, утяжеленные, термостойкие, расширяющиеся, коррозионностойкие и др., которые чаще всего готовятся в производственных условиях буровых предприятий.

Портландцемент – порошкообразный материал, содержащий искусственные минералы, большинство из которых в природе не встречается. Эти минералы образуются в результате высокотемпературного обжига смеси оксидов, в которой преобладает оксид кальция – CaO (известь), но входят также (19-23%) оксид кремния SiO₂ (кремнезем); (4-8%) оксид алюминия Al₂O₃ (глинозем); (3-6%) оксид железа Fe₂O₃ и много других оксидов в виде примесей.

Эти минералы обладают высокой химической активностью и способны взаимодействовать с водой. В результате химических реакций суспензия порошка портландцемента в воде приобретает способность к затвердеванию.

При производстве портландцемента в качестве исходных материалов обычно используют известняк высоким содержанием CaCO₃ и глину, содержащую алюмосиликаты и в виде примеси оксид железа в виде пиритных огарков.

Продукт обжига называется портландцементным клинкером. Он получается в виде спекшихся гранул величиной с орех. Для получения портландцемента клинкер размалывают в тонкий порошок с добавлением некоторых веществ, например, гипса.

Классификация и требования к тампонажным цементам приведены в ГОСТе 1581-96.

По вещественному составу тампонажные цементы делятся на следующие типы:

I – тампонажный цемент бездобавочный;

II – тампонажный цемент с минеральными добавками;

III – тампонажный цемент со специальными добавками, регулирующими плотность цементного раствора.

По плотности цементного раствора цемент типа III подразделяют на:

• облегченный (Об)

• утяжелённый (Ут)

По температуре применения цементы типов I, II и III подразделяют на цементы, предназначенные для:

• низких и нормальных температур (15-50)^oC;

• умеренных температур (51-100) ^oC;

• повышенных температур (101-150) ^oC.

Условное обозначение:

ПЦТ – портландцемент тампонажный;

1. обозначение типа цемента;

2. обозначение сульфатостойкости (СС);

3. обозначение средней плотности для цемента типа III;

4. обозначение максимальной температуры применения цемента;

5. обозначение гидрофобизации или пластификации цемента (Гф или Пл);

6. обозначение настоящего стандарта.

Например: ПЦТ-III-Об5-50 ГОСТ 1581-96 – портландцемент тампонажный облегченный, обеспечивающий получение цементного раствора плотностью 1,5 г/см³, для низких и нормальных температур.

ПЦТ-III-УТ1-100 – портландцемент тампонажный утяжелённый, обеспечивающий получение цементного раствора плотностью 2,1 г/см³ для умеренных температур.

ПЦТ-I-СС-100 – портландцемент тампонажный бездобавочный сульфатостойкий для умеренных температур.

Свойства цементного раствора (ЦР)

Водосодержание. Многие свойства тампонажных растворов (подвижность, плотность, седиментационная устойчивость и др.) определяются водосодержанием, которое, в свою очередь, зависит от химической природы цементного порошка, его удельной поверхности и конфигурации смачиваемой поверхности.

Водосодержание косвенно характеризуется водоцементным отношением (В/Ц).

Для цементов типа I и II (бездобавочного и с минеральными добавками) В/Ц=0,4÷0,6 (но при оценке их качества В/Ц строго регламентировано и должно быть 0,5);

для облегченного цемента В/Ц=0,6÷1,3;

для утяжеленного цемента В/Ц=0,3÷0,4.

Подвижность. Для подбора рецептуры тампонажного раствора и оценки времени сохранения его прокачиваемости в условиях проведения тампонажных работ применяют реологические характеристики, которые легко определить. Это определение растекаемости по конусу, основанное на измерении диаметра расплыва тампонажного раствора, который помещают в коническую форму стандартных размеров, установленную на стеклянную поверхность, после того как форму поднимают с поверхности вертикально вверх.

Растекаемость портландцементного раствора при В/Ц=0,5 должна быть не ниже 200 мм.

Также для определения подвижности тампонажных растворов широко используют метод измерения вязкости по сопротивлению, оказываемому цементным раствором перемешиванию лопастной мешалкой при неизменяемом градиенте скорости сдвига (интенсивности перемешивания). Измеряемую при этом величину называют консистенцией и выражают в единицах консистенции Бердена (Вс).

Через некоторое время после затворения и механического перемешивания начинает проявляться способность цементного раствора к структурообразованию, которая выражается в его загустевании и затем в схватывании. Существенное влияние на загустевание цементного раствора оказывают температура и давление. Загустевание (увеличение консистенции) определяют на консистометрах КЦ-3 и КЦ-5. В ГОСТе регламентируется время загустевания до консистенции 30Вс – 90 минут.

Плотность – с помощью АБР-2 или рычажных весов.

Фильтрационные свойства ТР характеризуются:

1. величиной седиментационного водоотделения, характеризующей объемную долю жидкой фазы, выделяющуюся из единицы объема ТР, помещенного в сосуд определенных геометрических размеров, за два часа.

2. Водоотдачей, определяемой с помощью ВМ-6 или с помощью установки УВЦ, позволяющей имитировать условия скважины (максимальное рабочее давление 100 МПа и максимальная температура до +250^OC). ТР имеют высокую водоотдачу, которую можно понизить путём увеличения удельной поверхности цемента, уменьшением В/Ц, а также вводом полимерных понизителей фильтрации.

Скорость затвердевания

После окончания закачки и продавки тампонажного раствора его структурообразование происходит в покое. Для определения скорости затвердевания пользуются иглой Вика. Метод заключается в измерении глубины погружения в испытуемый материал, помещённый в сосуд стандартных размеров, иглы диаметром 1 мм под действием стержня массой 0,3 кг. Фиксируют начало схватывания, когда игла не доходит до дна сосуда (кольцо Вика) на 1 мм, и конец схватывания, когда игла погружается в тело не более, чем на 1 мм.

Для условий высоких давлений и температур сроки схватывания определяют с помощью специальных автоклавов.

Свойства цементного камня (ЦК)

Прочность ЦК характеризуется предельным сопротивлением сжатию - σ_сж; растяжению σ_р и изгибу σ_изг., измеряемыми в МПа или кг/см². Для этого изготовленные определённым образом образцы ЦК (балочки) стандартных размеров испытывают на прочность согласно ГОСТа. По требованиям API (АНИ) определяют сопротивление сжатию цилиндрических образцов.

Сопротивление ЦК разрушению неодинаково при различных способах нагружения: σ_изг составляет 0,25÷0,5 σ_сж; σ_р – 0,1÷0,15 σ_сж. На ранних стадиях твердения разница меньше, чем на поздних стадиях. Например, прочность при изгибе (в возрасте 2х суток), МПа, должна быть не менее:

	Низкие и нормальные температуры	Умеренные и повышенные температуры
ПЦТ I, II	2,7	-
ПЦТ III-Об	0,7	1,0

Контракция – уменьшение суммарного объема системы в химических или в физических процессах. В результате контракции сумма истинных объемов конечных продуктов химических процессов, приводящих к затвердеванию, меньше суммы объемов исходных продуктов. Внешнее проявление эффекта контракции заключается в развитии разряжения на поверхности твердеющего цементного камня, что способствует всасыванию контактирующих с ним воды, нефти и газа.

Проницаемость – способность пропускать через себя жидкость или газ при определённом перепаде давления. Для обеспечения надёжного разделения пластов цементный камень в затрубном пространстве должен иметь минимальную проницаемость. Опыт и расчеты показывают, что для качественной изоляции продуктивных горизонтов следует применять тампонажные растворы, затвердевающие в камень с проницаемостью не более (2÷4)*10^-3 мкм².

6