Конспект_ТС

вое измерение глубины погружения иглы проводят не позднее, чем через 1 ч 30 мин после затворения, последующие – через 1 ч 45 мин; 2 ч; 2 ч 15 мин, а в дальнейшем не реже, чем через каждый час.

Началом схватывания цементного раствора (теста) считают время, прошедшее от начала затворения до момента, когда игла не доходит до подставки на 1–2 мм, концом схватывания – время от начала затворения до момента, когда игла погружается в тесто на глубину от 1 до 3 мм.

При определении сроков схватывания цементов для умеренных температур используется термостат, а для повышенных температур – автоклав.

Для оценки динамики нарастания прочности структуры раствора во времени измеряют технологический параметр пластической прочности структуры раствора.

6. Пластическая прочность Рм характеризует прочность структуры раствора при пластично-вязком разрушении. Она измеряется на приборе Вика по методу академика П.А.Ребиндера, усовершенствованному М.С.Винарским. Вместо иглы прибор снабжается комплектом конусов из стали, алюминия или органического стекла с углами при вершине 30, 45, 60, 90°. Кроме того, необходимо иметь кольцо большого размера (диаметром 127– 146 мм) и соответствующую подкладную пластину.

Методика измерений заключается в следующем. В кольцо 10 высотой 40 мм (рис. 3), установленное на подставке 11, заливают тампонажный раствор. Поверхность раствора тщательно выравнивается. Подвижную систему прибора (шток 3, держатель 6, указатель 7, винт 5) с укрепленным в нижней части конусом (показан пунктиром) устанавливают таким образом, чтобы конус чуть касался поверхности раствора, и в таком положении фиксируют пружинным рычагом 8. Через определенное время выдержки рычаг отпускают, подвижная система освобождается, и конус погружается в раствор на определенную глубину. Величина погружения фиксируется по шкале 4 с помощью указателя 7.

Затем конус поднимается, насухо протирается и устанавливается в исходное положение. Кольцо с пробой раствора смещается с подставкой по плите так, чтобы после очередного погружения конуса центры лунок находились на расстоянии не менее 3 диаметров предыдущей лунки. Через заданное время выдержки нажатием пружинного рычага конус вновь освобождается и по шкале измеряется глубина его погружения.

Величина пластической прочности определяется по формуле:

Рм = kα hG2 , Па,

где G - вес погружаемой системы, Н;

11

h - глубина погружения конуса в тампонажный раствор, м;

kα - коэффициент, зависящий от угла при вершине конуса. Коэффициент kα определяется по формуле:

kα = π1 cos 2 α2 ctg α2 ,

где α - угол при вершине конуса, град.

Поскольку пластическая прочность резко нарастает со временем, глубина погружения конуса в каждом опыте уменьшается. Для повышения точности измерений при достижении глубины погружения 0,5-0,8 см конус заменяется на более острый. Если подвижная система доходит до подставки, следует перейти на конус с большим углом при вершине.

Рекомендуется одновременно исследовать не менее трех образцов раствора и пластическую прочность определять как среднее из трех измерений. По результатам измерений строят кривую изменения пластической прочности во времени.

7. Водотвердое отношение (В/Т) представляет собой отношение масс воды и твердой фазы, необходимых для получения единицы объема раствора. Оно во многом определяет свойства тампонажных растворов. При известных составах воды и твердой фазы по водотвердому отношению обычно прогнозируют свойства раствора. И наоборот, желая получить определенные параметры раствора, нередко изменяют водотвердое отношение. Для тампонажных растворов оно колеблется от 0,4 до 0,8.

При однокомпонентной твердой фазе тампонажного раствора плотность и водотвердое отношение связаны следующей формулой:

ρтр = ((1+ В(/ Т)ρц)ρв), кг/м3,

ρв + В/ Т ρц

где ρтр, ρц, ρв – плотности соответственно раствора, вяжущего вещества, жидкости затворения, кг/м3.

При многокомпонентной твердой фазе сначала подсчитывают ее среднюю плотность, а последующий расчет ведут по указанной выше формуле.

8. Реологические свойства тампонажных растворов (структурную и динамическую вязкость, динамическое напряжение сдвига) определяют на вискозиметрах, к примеру, на вискозиметре ВСН-3.

Не все тампонажные растворы характеризуются полным набором приведенных выше параметров. Так, для оценки качества тампонажных растворов на основе цементов используют все характеристики; тампонажные пасты оценивают водотвердым отношением и сроками схватывания; в полимерных тампонажных растворах важны сроки твердения, а водотвердое отношение и водоотдача теряют смысл.

12

4. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ТАМПОНАЖНЫХ СМЕСЕЙ

Материалы для приготовления тампонажных растворов (смесей)

ирегулирования их свойств подразделяются следующим образом:

1.Материалы для приготовления собственно растворов.

2.Жидкости затворения.

3.Добавки к тампонажным растворам.

Материалы для приготовления тампонажных растворов по химической природе подразделяются на неорганические и органические вещества. К неорганическим относятся:

1)вяжущие материалы: цемент, гипс, известь;

2)глины.

Корганическим относятся: синтетические смолы, латексы, битумы, лигносульфонаты. Эти материалы можно использовать в композиции друг с другом.

Вкачестве жидкостей затворения используются пресная вода, минерализованная вода, углеводородные жидкости.

Большая группа материалов используется в качестве добавок к раствору:

1) добавки, предназначенные для регулирования плотности растворов,

2)добавки, предназначенные для регулирования физикомеханических свойств растворов,

3)добавки, предназначенные для придания им закупоривающих свойств (наполнители),

4)добавки, предназначенные для снижения стоимости.

4.1 Материалы для приготовления растворов

Тампонажный цемент

Цемент – основной материал для получения тампонажных смесей. Наиболее часто при тампонировании разведочных и нефтяных скважин используется портландцемент. При бурении глубоких нефтяных и газовых скважин также используются глиноземистый, гипсоглиноземистый, шлаковый, термостойкий и термосолестойкий цементы. Кроме того, основные типы цементов разделяются по плотности на:

•легкие (до 1400 кг/м3),

•облегченные (1400-1650 кг/м3),

•нормальные (1650-1950 кг/м3),

•утяжеленные (1950-2300 кг/м3),

•тяжелые (свыше 2300 кг/м3).

ипо температуре применения на:

13

•низкотемпературные (до 15°С),

•нормальные (15-50°С),

•умеренные (50-100°С),

•повышенные (100-150°С)

•высокотемпературные (150-250°С),

•сверхвысокие (свыше 250°С).

Портландцементы характеризуются соотношением важнейших составляющих минералов: трехкальциевого силиката CaOSiO2; двухкальциевого силиката 2CaOSiO2; трехкальциевого алюмината 3CaOAl2O3; четырехкальциевого алюмоферрита 4CaOAl2O3Fe2O3.

Содержание основных оксидов в них колеблется в следующих пределах: оксид кальция CaO 60–66%, кремнезем SiO2 18–25%, глинозем Al2O3 4–8%, оксид железа Fe2O3 0,5–5%, оксид магния 0,1–5%.

Кремнезем способствует образованию силикатов кальция и алюминия и придает цементу способность затвердевать в водной среде. Увеличение SiO2 приводит к некоторому замедлению сроков схватывания растворов и повышает сульфатостойкость цементного камня. Избыток оксида магния свыше 4,5% вызывает увеличение объема и разрушение твердеющего цементного камня.

Глинозем способствует ускорению сроков схватывания цементного раствора, но понижает прочность цементного камня. Увеличение оксида железа в цементе приводит к замедлению процессов схватывания тампонажных растворов.

Плотность тампонажного портландцемента колеблется от 3000 до 3200 кг/м3, в рыхлом состоянии около 1200 кг/м3. Удельная поверхность портландцемента составляет 280–400 м2/кг.

Условное обозначение тампонажного портландцемента включает: обозначение цемента, обозначение вещественного состава, наличие и содержание минеральных добавок, область применения по плотности и по температурным условиям.

Например, условное обозначение тампонажного бездоба- вочного гидрофобизированного портландцемента для низких и нормальных температур - ПЦТ-ДО-50 гф.

Тампонажный облегченный портландцемент для умерен- ных температур обозначается ПЦТ-100 обл.

Тампонажный облегченный цемент для скважин с темпе- ратурой до 45°С обозначается ОЦХ.

Облегченный шлаковый цемент для скважин с темпера- турой 80-160°С обозначается ОШЦ-120.

Шлако-песчаный цемент нормальной плотности для скважин с температурой 160-220°С обозначается ШПЦС-200.

Утяжеленный шлаковый цемент второй группы по плот- ности для скважин с температурой 160-220°С обозначается

УШЦ-2-200.

14

Глиноземистый цемент – быстротвердеющее гидравлическое вяжущее вещество, в составе которого преобладают низкоосновные алюминаты кальция. Глиноземистый цемент получают обжигом до спекания или плавлением сырьевой смеси, состоящей из известняка и бокситов, с последующим размолом.

Наиболее важные соединения глиноземистого цемента – однокальциевый алюминат CaOAl2O3; 12CaOAl2O3; CaO7Al2O3. Главными минералами, обеспечивающими вяжущие свойства и быстрое тверде-

ние, являются CaOAl2O3 и 12CaOAl2O3.

Химический состав глиноземистого цемента включает глинозем

Al2O3 – 35–50%; оксиды кальция CaO - 25–45%; кремнезем SiO2 – 5– 15%; оксиды железа Fe2O3 – 5–15%.

Гипс

В качестве самостоятельного тампонажного материала используется высокопрочный гипс, представляющий собой полугидрат CaSO40,5H2O. От строительного гипса он отличается лишь способом производства. Плотность его 2,6–2,75 г/см3. В нормальных условиях гипс – быстросхватывающееся вещество, используется в основном в быстросхватывающихся смесях. Скорость схватывания его возрастает при повышении температуры до 50°С. Одна из важнейших особенностей гипсового камня – его низкая водостойкость.

Известь

При тампонировании используется гидравлическая известь, получаемая путем обжига при 900°С мергелистых известняков с последующим помолом. Плотность извести колеблется от 1,8 до 2,6 г/см3. Она применяется в специальных тампонажных смесях, а также в качестве добавок к цементу. Растворы, в состав которых входит известь, твердеют медленнее, чем цементные.

Глина

Глина при тампонировании используется в качестве самостоятельного материала, в качестве основного компонента или вещества - структурообразователя, а также выполняет функцию активной минеральной добавки к цементным и известковым растворам. Используются все разновидности глин вплоть до суглинков.

Синтетические смолы и отвердители

Смолы представляют собой высокомолекулярные органические вещества (полимеры). Они используются при борьбе с поглощениями.

При тампонировании скважин применяются карбамидные, фенолоформальдегидные и эпоксидные смолы.

Наиболее распространены карбамидные смолы: мочевинофор-

мальдегидные (МФ-17, МФ-60, М-270, М-19-62, КС-68 «Б», М-3), мела-

15

мино-мочевиноформальдегидные (ММФ-50), мочевиноформальдегид- но-фурфурольные (МФФ-М), карбамидформальдегидные (КФ-Ж). Эти смолы представляют собой жидкости от белого до темно-коричневого цвета плотностью 1,17–1,5 г/см3. Прочность камня довольно высока: при сжатии до 250 МПа, при изгибе до 120 МПа. В качестве отвердителей этих смол используют соляную и щавелевую кислоты, как правило, в виде водного раствора.

Фенолоформальдегидные смолы ФР-12, ФРВ, ФРЭС, ТСД-9, ТС10 представляют собой продукт конденсации фенолов с формальдегидом и отверждаются как в кислой, так и в щелочной средах.

Эпоксидные смолы ЭД-5 и ЭД-6 в отличие от других смол они обладают значительными преимуществами: устойчивостью к агрессивным воздействиям воды, хорошими физико-механическими свойствами, не дают усадки. Отвердители эпоксидных смол – многоосновные карбоновые кислоты и карбамидные смолы.

Латекс

При борьбе с поглощениями промывочной жидкости используются латексы марок СКС-50КГП, СКС-ЗООХ, СКС-С, ДВХВ-70, ДМВП100, СКМС-ЗОАРК. Латекс представляет собой многокомпонентную систему плотностью 0,96–0,97 г/см3, получаемую путем эмульсионной полимеризации.

Применение латекса основано на коагуляции его при смешивании с раствором солей двух- и трехвалентных металлов, в результате чего образуется эластичная и плотная каучуковая масса, закупоривающая каналы фильтрации. Для увеличения прочности тампонов в латекс добавляется до 15% лигнина.

Основным коагулятором латексов служит раствор хлористого кальция с концентрацией не менее 3%, хотя применяются и соли других двухили трехвалентных металлов. Скорость коагуляции регулируется концентрацией хлористого кальция.

Лигносульфонаты

Из лигносульфонатов для тампонирования используются сульфитспиртовая барда (ССБ) и сульфитдрожжевая бражка (СДБ). При взаимодействии с солями поливалентных металлов лигносульфонаты образуют водонерастворимый гель, с течением времени превращающийся в твердообразную не текучую систему. Они применяются при борьбе с поглощениями.

Битумы

Битумы применяются как в чистом виде, так и в тампонажных составах для борьбы с поглощениями буровых растворов. В бурении в основном используются нефтяные и строительные битумы марок БН и БК. Битумы и битумные смеси используются в расплавленном виде.

16

4.2 Жидкости затворения

Дисперсионной средой тампонажных растворов служат пресная, минерализованная вода или углеводородные жидкости. Минерализованные воды применяются при затворении цементных растворов, предназначенных для тампонирования соленосных отложений.

Тампонажные растворы, затворенные на минерализованной воде, имеют повышенную плотность, прочность цементного камня несколько увеличивается, коррозионная стойкость ухудшается.

При цементировании скважин в условиях низких положительных и отрицательных температур (от +5 до -10°С) для затворения цемента используется калийщелочная вода, обеспечивающая технологические процессы и процессы твердения, практически не отличающиеся от обычных температурных режимов.

4.3 Материалы для регулирования свойств тампонажного раствора

Добавки, предназначенные для регулирования плотности растворов

Вэту группу материалов входят облегчающие и отяжеляющие добавки.

Вкачестве облегчающих используются кремнеземистые добавки (трепел, опока, диатомит), карбонатные добавки (мел и известняк), добавки органического происхождения (пластмассы, каменный уголь и т. п.), добавки из промышленных отходов (пылевидные топливные золы, пыль электрофильтров, шлифовальная пыль).

Вкачестве утяжеляющих добавок используются магнетитовые

пески (плотность ρ=3920 кг/м3), пиритовые огарки (ρ=4290 кг/м3), гематит (ρ=4350 кг/м3), магнетит (ρ=4520 кг/м3). Наибольший размер зерен утяжеляющих добавок составляет 0,15-0,3 мм.

Введением утяжелителей можно получить тампонажные растворы плотностью до 2300–2500 кг/м3.

Добавки, предназначенные для регулирования физикомеханических свойств

Армирующие добавки используются для дисперсноармированных тампонажных материалов, дающих камень, более стойкий к разовым и циклическим нагрузкам.

Армирующие добавки представляют собой волокнистые материалы искусственного, минерального или органического типа: нейлон, полиэтилен, шлак, кварц, асбест, хлопок, лен и др.

17

Добавки, предназначенные для придания раствору закупоривающих свойств

Наполнители добавляют в тампонажные смеси, используемые для борьбы с поглощениями бурового раствора. Наиболее эффективными материалами являются пластинчатые наполнители и комбинация пластинчатых и зернистых наполнителей. Типы наполнителей не отличаются от применяемых добавок в буровые растворы (табл. 2).

Концентрация наполнителей, превышающая 50 кг/м3, ухудшает прочностные характеристики тампонажного камня.

Таблица 2 – Наполнители, их размеры и рекомендуемая концентрация

Добавки, предназначенные для снижения стоимости

Для снижения стоимости тампонажного раствора в тампонажные смеси добавляют песок. Для этой цели предпочтительны кварцевые пески.

Песок вводится в немолотом виде. Для кварцевого песка плотностью 2,6 г/см3 верхний допустимый размер зерен равен 0,7 мм, для кварцево-железистых – 0,3–0,4 мм. Наличие глины в песке требует повышенного количества воды при затворении тампонажного раствора.

При введении песка несколько повышается коррозионная и термостойкость тампонажного камня.

18

5. ХИМИЧЕСКИЕ РЕАГЕНТЫ

Для регулирования сроков схватывания и реологических характеристик тампонажных растворов применяют химические реагенты. В большинстве используются те же реагенты, что и для регулирования свойств буровых растворов. Эти материалы могут быть неорганического и органического происхождения.

Реагенты для обработки тампонажных растворов подразделяются на следующие группы:

1)ускорители схватывания;

2)замедлители схватывания и твердения;

3)пластификаторы (регуляторы вязкости);

4)понизители водоотдачи и стабилизаторы.

Основные типы реагентов, рекомендуемая область применения и концентрация приведены в таблице 3.

Таблица 3 – Химические реагенты для регулирования свойств тампонажных растворов

19