Архив WinRAR_1 / Лекции_ХИМИЯ

Бентонит – глиноземистый состав, содержащий в себе до 85% монтморриллонита. В цементный раствор обычно добавляют до 20% пвц бентонита. Если в растворе свыше 6% пвц бентонита, то совместно с ним применяют дисперсант для регулирования вязкости и напряжения сдвига раствора. Проницаемость цементного камня увеличивается с ростом концентрации бентонита в растворе, поэтому такие цементные растворы имеют меньшую сопротивляемость коррозирующим пластовым водам. Высокая концентрация бентонита приводит к улучшению контроля за водоотдачей. Бентонит также эффективный наполнитель при повышенных температурах.

Силикатные наполнители вступают в реакцию с известью, находящейся в цементе или с хлоридом кальция, образуя гель силиката кальция. Структура геля создает достаточную вязкость позволяющую использовать большое количество воды без излишнего выделения свободной воды. Большим достоинством силикатов является их коэффициент полезного действия, который облегчает хранение и применение. Однако их ускоряющая способность приводит к снижению эффективности использования других добавок – замедлителей и реагентов по снижению водоотдачи.

42

Твердый силикат натрия (другое название: метасиликат натрия) обычно смешивается в сухом виде с цементным порошком. Если он при замесе добавляется в пресную воду, то гель может не образоваться до тех пор, пока не введется хлорид кальция. Рекомендуемая концентрация метасиликата натрия составляет 0,2-3% пвц, при этом плотность цементного раствора может быть 1350-1750 кг/м3.

Жидкий силикат натрия, называемый также жидким стеклом, добавляется в воду. Если рецептура цементного раствора предполагает использование хлорида кальция, то он должен быть в воду перед добавлением жидкого стекла, для улучшения заполняющих свойств последнего. Другие материалы могут вводиться в любое время. Концентрация жидкого стекла в цементном растворе 17,5-55 л/т.

Пуццоланы - силикатные или силикатно-алюминатные материалы, в чистом виде не обладающие свойствами цемента, самая важная группа модифицирующих добавок. Пуццоланы не только наполнители цементного раствора, но также и способствуют созданию прочности на сжатие цементного камня. Пуццоланы делятся на два типа:

• природные

−вулканическая пыль

−диатомит (кизельгур) В качестве пуццолановой добавки обычно используется диатомит в виде тонкодисперсного порошка с такими же размерами, как и портландцементный порошок. Он имеет большую удельную поверхность и высокую водопотребность. При этом не увеличивается вязкость раствора и прочность камня значительно повышается. Основной недостаток – высокая стоимость добавки.

• искусственные

−зольная пыль (летучая зола, зола уноса) Удельная поверхность зольной пыли приблизительно такая же, как и у портландцемента. Основным компонентом зольной пыли является стекловидный композит, состоящий из

43

кремнезема и глинозема с добавками оксида железа, извести, щелочи и окиси магния. Присутствуют также кварц, муллит, гематит и магнетит.

К пуццолановым добавкам относится также кремнезем. При цементировании скважин используются следующие формы кремнезема:

−микрокремнезем – конденсированная кварцевая пыль, побочный продукт производства кремния, ферросилиция и других кремнийсодержащих продуктов. Микрокремнезем применяется в виде стеклянных аморфных частиц размером 0,1-0,2 мкм, что в 50-100 раз мельче частиц портландцементного порошка, удельная поверхность 15000-25000 м2/кг. Микрокремнезем не имеет в своем составе посторонних примесей, поэтому он чрезвычайно химически активен. Высокая степень активности позволяет использовать микрокремнезем в растворах низкой плотности и добиваться высоких показателей прочности цементного камня, улучшать контроль водоотдачи раствора за счет снижения проницаемости цементной корки. Высокая удельная поверхность микрокремнезема увеличивает водопотребление при приготовлении прокачиваемых растворов. Поэтому растворы с малой плотностью, ниже 1,32 г/см3, могут быть приготовлены, имея при этом очень низкий коэффициент водоотделения или не иметь его вовсе. Рекомендуемая концентрация микрокремнезема в растворе 15-25 % пвц.

−кварцевая мука имеет средний размер частиц 15 мкм.

−кварцевый песок имеет средний размер частиц 100 мкм.

При гидратации цемента, высвобождается приблизительно свободный Ca(OH)2. Отдельно Ca(OH)2 не способствуют созданию прочного камня, и растворяется либо вымывается водой. Это приводит к ослаблению цементного камня. В присутствии пуццолана, кремнезем соединяется со свободным Ca(OH)2, образуя стабильное сцементированное соединение, которое очень прочно.

Низкая проницаемость цементного камня, содержащего пуццолан, также как и снижение содержания свободного Ca(OH)2, противостоит

44

агрессии сульфатсодержащих и иных коррозирующих жидкостей. Агрессивная жидкость потом проникает в пуццолановый цементный камень, но в дальнейшем разрушение предотвращается другими способам. Под влиянием цеолита, находящегося в пуццолане, происходит процесс ионного обмена, и влияние щелочи становится менее значительным.

Облегчающие добавки

Облегчающие добавки снижают плотность цементного раствора за счет низкой собственной плотности по отношению к портландцементу. Эти добавки инертны по отношению к портландцементу, то есть они не вступают

сним в реакцию. К облегчающим добавкам относят:

−вспученный перлит - это измельченное вулканическое стекло, которое увеличивается в объеме при нагреве до точки начального плавления. Чтобы предотвратить выпадение частиц перлита из раствора в него добавляют небольшое количество бентонита, 2-4% пвц. Внутри вспученного перлита есть открытые и закрытые поры. Под действием гидростатического давления в скважине открытые поры заполняются водой, а закрытые поры разрушаются. За счет этого перлит становится тяжелее. Что бы получить на забое в скважине раствор со вспученным перлитом требуемой плотности, нужно приготовить на поверхности раствор с меньшей плотностью

−гильсонит – это по природе своей асфальтит (битум), в виде черных угловатых частиц размером до 0,6 см. Часто используется для предотвращения потерь циркуляции. Температура размягчения 196°С. Поэтому не рекомендуется использовать в скважинах, с которых температура свыше 150°С.

−угольная пыль, как наполнитель, похож на гильсонит – крупнодисперсный материал, используемый для предотвращения потерь циркуляции. Но в отличии от гильсонита, имеет точку плавления 540°С, поэтому может использоваться в высокотемпературных скважинах.

−микросферы – это газонаполненные маленькие шарики. Применяют два вида микросфер: стеклянные и керамические. Существенно ограничивает

45

применение микросфер их неспособность противостоять высокому гидростатическому давлению, из-за этого они не могут применяться в глубоких скважинах. Широкий спектр стеклянных микросфер позволяет снижать плотность цементного раствора. Некоторые образцы стеклянных микросфер могут выдерживать давление до 35-70 МПа. Керамические микросферы дешевле стеклянных. Они производятся из зольной пыли, поэтому их оболочка состоит из алюмосиликатов. Внутри них находится углекислый газ и азот. Керамические микросферы тяжелее стеклянных. Их допустимое давление составляет 30МПа. Очень важно проследить, чтобы микросферы не отделялись от цемента в процессе перемешивания. Микросферы должны обязательно быть равномерно введены в состав сухой смеси с цементом и ни в коем случае не вводиться самостоятельно в воду затворения.

− азот. Пеноцемент является системой, в которой азот вводится непосредственно в цементный раствор для достижения низкой плотности. Пеноцемент требует использования специально разработанного исходного цемента, чтобы создать однородную систему с высокой прочностью на сжатие и низкой проницаемостью.

Утяжелители

Когда требуется раствор с повышенной плотностью, добавляются материалы с высокой плотностью. Утяжеляющие добавки должны удовлетворять различным критериям:

размер частиц должен соответствовать размерам частиц портландцемента. Частицы большого размера будут оседать в растворе, частицы меньшего размера будут увеличивать вязкость раствора;

водоцементное отношение должно быть сравнительно малым;

утяжеляющая добавка должна быть инертна к цементу и совместимой с другими добавками.

Основными утяжеляющими добавками для цементных растворов являются титанистый железняк (ильменит), гематит, барит.

46

Титанистый железняк (ильменит) FeTiO3 – черный гранулярный материал с плотностью 4,45 г/см3. Размер частиц достаточно крупен, поэтому вязкость раствора должна быть аккуратно скорректирована для предотвращения осаждения. С применением ильменита можно приготовить растворы с плотностью достигаемой 2400 кг/м3.

Гематит Fe2O3 очень эффективный утяжелитель с плотностью 4,95 г/см3. Представляет собой красные кристаллические гранулы. При высокой концентрации в растворе, из-за тонкодисперсного состава частиц, вместе с гематитом вводится дисперсант для снижения вязкости раствора. Можно приготовить растворы с плотностью 2280-2640 кг/м3.

Барит BaSO4 – порошок белого цвета, широко распространенный на нефтяных месторождениях. Он менее эффективен по сравнению с ильменитом и гематитом. Хотя его плотность 4,33 г/см3, он требует использования воды для увлажнения, и тем самым его эффективность как утяжелителя значительно снижается. Прочность камня при этом также снижается. Можно готовить растворы с плотностью до 2300 кг/м3.

Реагенты для борьбы с поглощением

Потери циркуляции раствора - это одна из серьезных проблем, которые решаются в процессе бурения. Они обычно происходят в интервалах пористых и кавернозных пород.

Для предотвращения потерь циркуляции при цементировании применяют инертные к портландцементу наполнители, такие как гильсонит,

угольная пыль, целлофановые хлопья. Они образуют каркасную структуру,

предотвращающую уход раствора в пласт.

В случае если зона осложнения очень велика, то эти добавки становятся не эффективными. Тогда используют тиксотропный цементный раствор. Когда такие растворы попадают в пласт, они больше не подвергаются сдвигу. Они гелируются и становятся устойчивыми. Зона осложнения заблокирована.

47

Специализированные добавки

Для предотвращения попадания и облегчения удаления воздуха из цементного раствора используют пеногасители. Применяют два вида пеногасителей – полигликолевые эфиры и силиконы. Их добавляют в раствор очень маленькими концентрациями, порядка 0,1% по объему жидкости затворения.

Полигликолевый эфир самый дешевый, и поэтому наиболее часто используемый. Его вводят в жидкость затворения в самом начале процесса замешивания цементного раствора, тогда он более эффективен. Как показывает практика, в случае ввода его в готовый цементный раствор, пена не разрушается.

Силиконы - кремнийорганические соединения очень эффективные пеногасители. Они представляют собой раствор тонкодисперсного кремнезема в полидиметилсилоксане. Также существует 10-30% раствор в эмульсии типа нефть в воде.

Для предотвращения влияния на цементный камень внешних нагрузок, возникающих в течение технологических процессов строительства скважины, в цементный раствор на стадии приготовления вводят специальные упрочняющие добавки. Такие материалы передают локализированные нагрузки более равномерно через матрицу цементного камня. Такими добавками могут служить нейлоновое волокно длиной до 25 мм, измельченная резина, латексная добавка. Нейлоновое волокно добавляют 0,15-0,5% пвц., измельченной резины – до 5% пвц.

В цементный раствор могут быть введены радиоактивные изотопы. Их применяют для определения положения раствора после цементирования. Их вводят в первую закачиваемую пачку цементного раствора, чтобы определить место, до которого поднялся раствор в заколонном пространстве. Для этого применяют йод I13153 с периодом полураспада 8,1 дня или иридий Ir19277 с периодом полураспада 74 дня.

48

Определенные химические реагенты в составе бурового раствора, такие как таннины, лигнины, крахмал, лигносульфонаты, КМЦ при возможном контакте бурового раствора с цементным раствором могут повлиять на свойства последнего. Для снижения их влияния применяют

нейтрализаторы бурового раствора – параформальдегиды или смеси параформальдегидов с хроматом натрия.

Литература

1.Крылов В.И., Кривобородов Ю.Р., Клюсов В.А. Классификация и методы испытаний тампонажных цементов. Учебное пособие. - М.: ГУП «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2002. - 34 с.

2.Шаманов С.А. Бурение и заканчивание горизонтальных скважин.

–М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2001 – 190с.

3.Ryen Caenn, Henry C.H. Darley, George R. Gray. Composition and Properties of Drilling and Completion Fluids, Sixth Edition. - Burlington: Gulf professional publishing, 2011 - 701 p.

4.Ребиндер П.А. Поверхностные явления в дисперсных системах. Физико-химическая механика. Избр. Тр.- М.: Наука, 1979 - 384с.

5.Ryen Caenn, Henry C.H. Darley, George R. Gray. Composition and Properties of Drilling and Completion Fluids, Sixth Edition. - Burlington: Gulf professional publishing, 2011 - 701 p.

6.Басарыгин Ю.М., Булатов А.И., Дадыка В.И. Материалы и реагенты для ремонтно-изоляционных работ в нефтяных и газовых скважинах.- М.: Недра, 2004.

7.Ахмадеев Р.Г., Данюшевский В.С. Химия промывочных и тампонажных жидкостей. - М.: Недра, 1981.

8.Муслимов Р.Х., Шапошников Д.А. Коллоидная химия в процессах извлечения нефти из пласта, Казань, 2006

49

9.Ибрагимов Г.З., Сорокин В.А., Хисамутдинов Н.И. Химические реагенты для добычи нефти. - Справочник. - М.: Недра, 1989. - 160 с.

10.Cementing Services and Products Catalog, Schlumberger, 2007.

50

5-8. Интенсификация нефтегазодобычи методами гидравлического разрыва пластов и кислотных обработок. Глушение скважин.

1