Лекция 6. Условия цементирования. Требования к качеству тампонажного раствора и тампонажного камня

В строительстве подземных сооружений часто возникает необходимость заполнения твердым материалом пустот, недоступных для непосредственной заделки, закладки, засыпки. Если в такие пустоты можно закачать жидкость, то их можно заполнить затвердевающими жидкостями с помощью тампонирования. В строительстве скважин этот процесс получил название цементирования в связи с использованием для крепления скважин цемента. В связи с различным назначением имеется много видов и составов тампонажных материалов: твердеющие смолы, вязко-упругие смеси и др. Наиболее широкое применение они нашли в строительстве нефтяных и газовых скважин.

Требования к тампонажным материалам, обусловленные горно-геологическими условиями в скважине

Эти условия непрерывно усложняются в связи с увеличением глубин и совершенствованием технологий строительства скважин. Главным требованием является возможность регулирования свойств тампонажного материала в достаточно широких пределах.

1. Температура – перепад температур между нижней и верхней отметками глубины расположения тампонажного раствора (ТР). Температура окружающей среды определяет выбор того или иного типа тампонажного материала, а перепад температур определяет выбор рецептуры ТР, т.к. рецептура постоянного состава ориентирована, как правило, на максимальную статическую температуру, а тампонажный раствор из-за разности температур затвердевает не в одно и то же время: при низких температурах (верхние интервалы – направление, кондуктор) тампонажный раствор может затвердевать несколько суток.

2. Важное значение как для технологии тампонажных работ, так и для процессов затвердевания тампонажного раствора имеет давление. Встречаются пласты с АНПД (давление флюидов <Р_пласт) и с АВПД с коэффициентом аномальности 1,3 – 2,0. Технологическое давление при тампонировании может превышать Р_пласт, а также прочность горных пород.

На процесс твердения и долговечность тампонажного материала значительное влияние оказывает перепад давления между отдельными частями сооружения, вызывающий движение тампонажного раствора, а также вдоль поверхности контакта с окружающей средой.

3. Фильтрация жидкости или газов через малопрочный тампонажный материал приводит к его размыву, а в прочном тампонажном камне может вызвать коррозионные процессы.

4. Затвердевший тампонажный материал может испытывать статические нагрузки (например, при перепаде температур), а также динамические, особенно при перфорации.

5. Химический состав окружающей среды: наличие солей, кислых газов (CO₂, H₂S).

6. Конфигурация заколонного пространства: чем неправильнее пространство (наличие каверн), тем сложнее обеспечить полное вытеснение бурового раствора, а, следовательно, контакт тампонажного материала со стволом скважины, что приведёт к негерметичности заколонного пространства.

По виду тампонирование можно разделить на:

1. технологическое, выполняемое в процессе строительства скважины;

2. ликвидационное, проводимое для ликвидации скважины, выполнившей своё назначение.

Виды и назначения тампонирования геологоразведочных скважин.

Вид тампонирования	Вариант исполнения	Назначение и функции
Технологическое	Тампонирование обсадных колонн	Изоляция интервалов залегания полезного ископаемого Закрепление скважины Защита обсадной колонны от коррозии Борьба с поглощениями и водопроявлениями
	Закрепление стенок скважины при бурении	Обеспечение нормального процесса бурения Предупреждение аварий
	Ликвидация поглощений и водопроявлений	Обеспечение нормального процесса бурения Уменьшение отрицательного влияния бурового раствора Обеспечение благоприятных предпосылок для ликвидационного тампонирования
	Установка мостов в скважине	Создание опоры для отклоняющих устройств Изоляция ствола при исследовании скважины
Ликвидационное	Полное или частичное заполнение скважины тампонажным материалом	Предупреждение загрязнения водоносных горизонтов Предупреждение прорывов подземных и поверхностных вод при разработке месторождений Предупреждение перетоков подземных вод из горизонта в горизонт

Требования к тампонажному раствору и тампонажному камню

1.Требования технического характера:

- хорошая текучесть и сохранение этого свойства в течение времени, необходимого для закачки раствора в заколонное пространство;

- сразу после закачки тампонажный раствор должен загустеть, набрать прочность и затвердеть;

-отсутствие седиментации;

- хорошая сцепляемость(адгезия) с обсадными трубами и горной породой;

- отсутствие взаимодействия с тампонируемыми породами и пластовыми флюидами;

- устойчивость к размывающему действию подземных вод;

- стабильность при термобарических условиях в скважине;

- отсутствие усадки с образованием трещин;

- непроницаемость для жидкости и газов.

2. Требования технологического характера:

- хорошая прокачиваемость буровыми насосами;

- небольшие сопротивления при движении в бурильных трубах и затрубном пространстве и большие в проницаемых горных породах(в случае ликвидации поглощений, проявлений и ликвидационном цементировании);

- легкая разбуриваемость камня;

- отсутствие токсичности.

Кроме того, исходное сырье должно быть недефицитным и недорогим.

Для крепления скважин широкое применение нашли минеральные вяжущие, образующие при смешивании с водой нерасслаивающиеся суспензии, способные к затвердеванию.

Природа твердения таких суспензий сложна и многообразна. При твердении происходят следующие процессы:

• значительное увеличение объема твердой фазы за счет химической реакции присоединения к ней жидкой фазы;

• повышение дисперсности твердой фазы, сопровождающееся многократным увеличением поверхности раздела фаз, что приводит к повышению числа контактов между частицами твердой фазы, причем в местах контакта частицы сращиваются;

• образование в качестве продуктов реакции волокнообразных кристаллов, переплетающихся между собой с образованием кристаллического «войлока».

Химические вещества, обеспечивающие затвердевание тампонажных растворов, редко применяются в чистом виде. Их смешивают либо с инертными по отношению к ним наполнителями, чтобы сэкономить дорогое связующее, а также придать специальные свойства (закупоривающие, армирующие и другие).

Вещества, обеспечивающие затвердевание, называются тампонажными материалами, а вещества, вводимые для регулирования свойств, называются добавками. Модифицирующие добавки можно добавлять в сухой тампонажный материал или в процессе приготовления раствора.

5