технология бурения 2

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

в не затвердевшем цементном растворе, находящемся в затрубном пространстве скважины в неподвижном состоянии, могут происходить негативные процессы, основными из которых являются седиментация и водоотделение, нарушающие герметичность затрубного пространства.

Замедление твердения вызывает необходимость на 20–24 часа увели-

чивать время ожидания затвердевания цемента (ОЗЦ).

Основными путями получения низкотемпературных цементов являются:

-снижение температуры замерзания жидкости затворения;

-ускорение твердения цементов.

Тампонажные растворы с антифризами

Добавление в воду затворения солей, препятствующих замерзанию жидкой фазы, и ускорителей схватывания и твердения было первым и наиболее простым способом получения низкотемпературных цементов.

Наиболее распространенные добавки NaCl и CaCl2 в количестве 3– 8 % способны снизить температуру замерзания воды до – 5.....10 оС. Количество добавок зависит от состава клинкера, тонкости помола и продолжительности хранения цемента до применения. В то же время наличие значительных количеств хлоридов в цементном растворе может привести к коррозии обсадной колонны.

Лучшие результаты дает комбинирование добавок-ускорителей и противоморозных добавок. Примером может служить добавка, вклю-

чающая 3–5 % CaCl2; 1,5–3,0 % КОН; 0,05–0,1 % ССК – сульфосилициловой кислоты – [C6H3 (OH) (SO3H) COOH)].

При более низких температурах необходимо применять две солевых добавки, примерами которых могут быть: K2CO+KOH, названная калий- но-щелочной реагент – КЩР; 17-процентный раствор СaCl2 + 4 % NaCl.

Кроме них для ускорения твердения тампонажного раствора применяются добавки: нитрат натрия (NaNO3), поташ (K2CO3), каустическая сода (NaOH), сульфаты натрия (Na2SO4) и калия (K2SO4).

Глиноземистый цемент. Алюминатные вяжущие отличаются ускоренным твердением и могут исключить ряд негативных последствий, появляющихся при креплении скважин с зонах ММП. Примером такого вяжущего является глиноземистый цемент – быстротвердеющее гидравлическое вяжущее вещество.

Глиноземистый цемент твердеет значительно быстрее, чем портландцемент. Через 24–48 ч твердения прочность его цементного камня в несколько раз выше, чем у цементного камня портландцемента. Однако высокая прочность сохраняется длительное время только при отсутствии поровой жидкости (в сухих условиях) или при пониженных температурах. Уже при температуре выше 30 оС в камне, твердеющем во влажных условиях, значительно ускоряются перекристаллизационные процессы

128 449

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

(аналогичные процессам термической коррозии), сопровождающиеся резким снижением прочности.

Именно поэтому глиноземистый цемент не применяют в чистом виде при креплении скважин в зонах ММП, поскольку после строительства скважины при добыче пластовых флюидов цементный камень будет разогреваться и подвергаться термической коррозии, теряя свои физикомеханические свойства.

В зарубежной практике применяется цемент «Фонду» – быстротвердеющий тампонажный цемент с высоким содержанием алюминатов, по свойству и составу аналогичный отечественному глиноземистому цементу.

Гипсоглиноземистый цемент получают на основе глиноземистого цемента, добавляя к нему 25–30 % сульфата кальция в виде гипса или ангидрита.

Цементный камень из гипсоглиноземистого цемента термически устойчив при температурах до 60 оС. Он также устойчив в сульфатных средах, но не устойчив при действии сероводорода и солей магния, поскольку эттрингит разлагается при рН<10,2.

Гипсоглиноземистый цемент твердеет не так быстро, как глиноземистый цемент, но быстрее портландцемента.

Белитоалюминатный цемент. Существенным недостатком цементов с повышенным содержанием оксида алюминия является большое тепловыделение при твердении. В интервалах многолетнемерзлых пород это может привести к растеплению пород, граничащих с твердеющим цементным раствором, привести к обвалообразованию и ухудшить качество крепления.

Поэтому при получении цементов для ММП стремятся часть высокоактивных алюминийсодержащих минералов заменить другими менее активными минералами.

На этом принципе основано получение белитоалюминатных цементов

(БАЦ). Минералогический состав этих цементов представлен β-CaO.SiO2; СаО.А12О3; СаО.2А12О3.

Наличие алюминатной составляющей обеспечивает быстрое твердение и набор прочности при низких температурах, а твердение β-двухкальциевого силиката (белита) должно компенсировать снижение прочности камня из-за термической перекристаллизации в поздние сроки твердения.

Белитоалюминатные цементы различного состава, разработанные несколькими организациями, были выпущены опытными партиями и прошли промысловые испытания. В настоящее время эти цементы в России не выпускаются.

Цементы на основе гипсовых вяжущих. Быстротвердеющим вяжу-

щим с низким тепловыделением при твердении являются гипсовые вяжущие, получаемые термической обработкой гипсового камня. Природный сульфат кальция – гипс содержит две молекулы воды на одну молекулу

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

сульфата CaSO4 . 2Н2О. При нагревании он разлагается, теряя воду и образуя полугидрат CaSO4. 0,5H2O:

2(СaSO4. 2Н2О) → 2 (CaSO4. 0,5Н2О) + 3Н2О.

Взависимости от способа получения разделяют строительный гипс и высокопрочный гипс. Это быстросхватывающиеся и быстротвердеющие вяжущие вещества. Гипсовое тесто схватывается обычно за 15 мин., а конечную прочность приобретает за несколько часов при низком тепловыделении. К сожалению, гипсовые вяжущие являются неводостойкими, и поэтому в чистом виде для крепления скважин не применяются. Кроме того, высокая скорость твердения не позволяет закачивать подобный раствор в затрубное пространство.

Из-за низкого рН при контакте с гипсом металл начинает корродиро-

вать, тогда как при контакте с портландцементом он не подвергается коррозии.

Важным достоинством гипса как тампонажного материала является небольшое увеличение объема при затвердевании.

Из-за сравнительно высокой растворимости сульфата кальция затвердевший гипсовый камень легко размягчается в воде, и поэтому гипс относится к воздушным вяжущим веществам.

Несмотря на этот недостаток, гипсовые вяжущие вещества находят применение при цементировании скважин с добавлением веществ, замедляющих схватывание и повышающих водостойкость. Был успешный опыт применения высокопрочного гипса при ликвидации поглощений.

Двуводный и полуводный гипс применяют как составные части в других тампонажных цементах. Примером является гипсоглиноземистый цемент.

Цемент тампонажный для низкотемпературных скважин типа ЦТН

представляет собой гидравлическое вяжущее вещество, полученное путем совместного помола высокопрочного гипса с портландцементным клинкером в количественном соотношении от 9:1 до 6:4, или же тщательным смешением отдельно измельченных компонентов и добавкой молотого песка (в соотношении 30:40:30 соответственно). Предназначен для крепления нефтяных и газовых скважин в многолетнемерзлых породах и зонах, прилегающих к ним, при температурах от +30 до –5 °С. Кроме того, он может быть основой для разработки специальных тампонажных цементов.

При этом гипс обеспечивает быстрый набор прочности камня, несмотря на низкие температуры. Портландцемент обеспечивает водостойкость полученного камня, а молотый кремнезем предупреждает сульфатную коррозию цементного камня. В качестве регулятора твердения применяют добавки, не ухудшающие свойства цементного камня (NaCl, ЛСТМ).

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Одна из разновидностей портландцементно-гипсовых низкотемпературных вяжущих, разработанная ВНИИгаз, получила название «Арктикцемент». В промышленных масштабах низкотемпературные цементы в настоящее время не выпускаются.

Зарубежным аналогом ЦТН является цемент «Пермофрост», выпускаемый фирмой «Халлибертон». Это вяжущее представляет собой смесь цемента класса J с гипсом, молотым кремнеземом и химическими добавками, которые пластифицируют и регулируют скорость твердения. Кроме того, в качестве антифриза смесь содержит до 11 % хлористого натрия.

Высокотемпературные цементы Портландцементно-песчаные тампонажные смеси. Впервые термо-

стойкий тампонажный цемент был получен при добавке к обычному тампонажному цементу тонкоизмельченного кварцевого песка. За рубежом, в частности в США, практически единственным термостойким тампонажным материалом долгие годы оставалась цементо-песчаная смесь с соотношением песка с цементом от 1:3 до 1:1. Использование таких смесей объясняется универсальностью добавки измельченного кварцевого песка – она хорошо сочетается со всеми многочисленными цементами, применяемыми в США, и почти не влияет на другие свойства цементного раствора.

Для сохранения седиментационной устойчивости при неизменном водосодержании и быстрого химического взаимодействия кремнезема с продуктами гидратации цемента необходима высокая степень измельчения кремнезема. При удельной поверхности кремнезема менее 3500 см2/г приходится уменьшать водосодержание раствора, что влечет за собой повышение плотности, а также увеличивать содержание добавки сверх рассчитанного на полное химическое связывание гидроксида кальция, выделяющегося при гидратации минералов портландцемента.

Цементно-песчаные смеси при невысоких температурах характеризуются замедленным по сравнению с обычным цементом загустеванием и схватыванием цементного раствора.

При высоких температурах наблюдается лишь небольшое замедление загустевания по сравнению с цементом без добавки, которое не позволяет отказаться от применения замедлителей.

На свойства цементно-песчаной смеси при одинаковых условиях гидратации наибольшее влияние оказывают его минералогический состав, размер и форма зерен, предварительная обработка песка и т. д.

Наилучшими являются кварцевые пески, имеющие высокий процент кремнезема, достаточный для связывания гидрата окиси кальция при гидратации цемента. При выборе кварцевых песков следует отдавать предпочтение тем, которые содержат пониженное количество следующих вредных примесей: слюду, серные и сернокислые соединения, глину.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

С точки зрения гранулометрического состава, менее желателен очень мелкий песок с большим количеством пылевых фракций, требующих повышенного количества воды.

Если необходимо получать и применять цементно-песчаные смеси низкой плотности при высоких температурах и давлениях, то помол песка обязателен. Однако из-за высокой твердости, измельчение песка требует большого расхода энергии, быстро возрастающего с увеличением тонкости помола, т.е. тонкое измельчение следует применять лишь там, где оно обосновано и экономически выгодно.

Нежелателен также и песок с большим содержанием крупных фракций, так как они могут осаждаться при приготовлении цементного раствора.

Цементно-песчаные тампонажные растворы характеризуется большим водоотделением, чем чистые цементные растворы.

Белито-кремнеземистые цементы. Задачу получения термостойкого высокотемпературного цемента можно формулировать как максимальное замедление скорости поступления СаО в раствор для того, чтобы ее количество в нем всегда было меньше количества SiO2. Из-за этого цементнопесчаные смеси не всегда могут обеспечить высокую термостойкость продуктов твердения вследствие многостадийности образования низкоосновных гидросиликатов кальция. Это связано с тем, что портландцемент содержит высокоактивный трехкальциевый силикат C3S, активно взаимодействующий с водой уже при нормальных температурах, и выделяющий при гидратации Ca(OH)2, количество которого всегда в избытке в жидкой фазе раствора.

Образование низкоосновных продуктов твердения, в которых С/S ≈ 1, становится возможным тогда, когда количество поступающего в раствор СаО и SiО2 будет одинаковым. Поэтому наряду с увеличением скорости поступления SiО2 за счет его увеличения в составе цемента или применения молотого песка целесообразно замедлить поступление СаО за счет увеличения доли малоактивных компонентов в цементе. Замедлить скорость поступления Ca(OH)2 в раствор можно заменой высокоактивного C3S на менее активный – C2S α и β модификации.

На этом принципе основано получение белито-кремнеземестых цементов (БКЦ), цементная составляющая которого представлена C2S β- модификации, называемой белитом.

В качестве белитового компонента может использоваться нефелиновый шлам – отход производства глинозема из нефелиновых пород, содержание β-2СаО • SiO2 в котором составляет 80–85 %.

Характерные особенности БКЦ – медленное схватывание при высоких температурах, что позволяет применять его без замедлителей при температурах до 180–200 °С; высокая термическая устойчивость цементного камня и плохая водоудерживающая способность. Поэтому при затворении БКЦ В/Ц должно быть 0,38–0,42. Плотность раствора 1800–1900

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

кг/см3. При больших водоцементных отношениях наблюдается повышенное водоотделение, для предотвращения которого иногда вводят небольшую (до 5 %) добавку бентонитовой глины.

Помимо нефелинового шлама в качестве компонента белитокремнеземистого цемента могут применяться саморассыпающиеся шлаки (СРШ) от производства рафинированного феррохрома.

Предпочтительная область применения белито-кремнеземистых цементов – цементирование скважин с температурами >150 °С. Помимо облегченных цементов, которые рекомендуется получать добавками тонкодисперсных разновидностей кремнезема, а не бентонита, на основе β - и γ -БКЦ легко могут быть получены утяжеленные цементы. Из числа утяжелителей предпочтительны железистые – гематит, магнетит и т. п. Для утяжеления лучше использовать β-БКЦ.

Известково-кремнеземистые цементы (ИКЦ) представляют собой сухую смесь гидроксида кальция Са(ОН)2 или СаО (гашеной или негашеной извести) и материала, содержащего оксид кремния – измельченного кварца, диатомита, пылевидной каменноугольной золы и т.п.

Твердение ИКЦ происходит в результате взаимодействия растворенного гидроксида кальция и растворенного кремнезема. При невысоких температурах реакции твердения идут достаточно быстро, если кремнеземистый компонент имеет высокую реакционную способность и большую поверхность как, например, диатомит. Известково-диатомитовые суспензии достаточно быстро затвердевают, начиная с температуры 50 оС.

В температурном интервале 40–80 °С хорошо могут применяться смеси гашеной извести-пушонки с диатомитом, трепелом или пылевидной золой каменных углей. При этом получаются седиментационно устойчивые суспензии с высоким водосодержанием, быстротвердеющие, особенно при добавках фторидов натрия, кальция, алюминия, но нуждающиеся в замедлении схватывания. Эффективные замедлители – соли винной, фосфорной и борной кислот.

Цементы на основе доменных шлаков. Металлургические шлаки полу-

чают при охлаждении расплава, образованного примесными минералами руд, флюсов и золы топлива. Металлургические шлаки делятся на шлаки черной и цветной металлургии. К шлакам черной металлургии относятся доменные, ферросплавные, сталеплавильные; к шлакам цветной металлургии – медеплавильные, никелевые, полиметаллические. Составы этих шлаков значительно отличаются, но все они содержат CaO, SiO2, AI2O3, MgO, суммарное содержание которых обычно приближается к 90 %.

Условной характеристикой шлаков являются модули основности Мои активности Ма, причем

Mo = %CaO + %MgO ; %SiO2 + %Al2O3

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

%Al O .

M a = % 2 3

SiO2

К основным относятся шлаки, у которых Мо > 1.

При медленном охлаждении образуются так называемые отвальные шлаки, они застывают в крупные глыбы, и в результате медленного охлаждения из расплава выкристаллизовываются силикаты и алюминаты.

Доменные шлаки, содержащие более 46 % СаО, при медленном охлаждении рассыпаются в тонкий порошок, состоящий в основном из двухкальциевого силиката в- γ- модификации. Рассыпание шлака происходит вследствие того, что переход из β- в γ-модификацию сопровождается увеличением объема почти на 10 %.

Грануляция доменных шлаков путем быстрого охлаждения в значительной степени предотвращает их кристаллизацию, и они застывают в стекловидном состоянии.

Доменные гранулированные шлаки входят в состав тампонажных портландцементов (до 15 %), строительных шлакопортландцементов (до 50 %), сульфатно-шлаковых цементов (до 70 %) ишлакопесчаных тампонажных цементов (до 70 %).

Из-за меньшего содержания оксида кальция минералы металлургических шлаков обладают значительно меньшей химической активностью по сравнению с минералами портландцемента.

Для активизации твердения этих цементов обязательно необходима температура, потому что они помимо С2S содержат большое количество стеклофазы, которая покрывает минералы. При высокой температуре стеклофаза, внутри которой находится минерал С2S, растворяется, и вода получает доступ к минералам, которые начинают гидратировать и твердеть. При меньших температурах этот процесс практически не идет из-за низкой растворимости стеклофазы. Для ускорения гидратации и твердения цементов на основе шлаков также применяют химическую активацию введением в твердеющую суспензию щелочей и сульфатов, обычно в виде оксида (или гидроксида) кальция и гипса.

При активизации твердения шлаков часто используют добавки портландцемента, выделяющего Са(ОН)2 при гидролизе, а также растворимых силикатов Na2SiО3, K2SiО3, гидролизующихся с выделением NaOH или КОН и карбонатов щелочных металлов Na2CO3 и К2СО3, также гидролизующихся с выделением щелочи.

Введение щелочей ускоряет растворение шлакового стекла, имеющего кислый характер.

Применение шлаков в составе тампонажных цементов основано на значительном повышении их химической активности с повышением температуры. Это был наиболее распространенный вид высокотемпературных цементов.

134 455

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

В промышленности выпускались цементы типа ШПЦС – шлакопесчаный цемент совместного помола, разработанные ВНИИКрнефть (ныне НПО «Бурение», г. Краснодар):

-ШПЦС-200, он представляет собой смесь молотого гранулирован-

ного шлака и песка в соотношении 60 : 40. Область применения

160–240 0С;

-ШПЦС-120, отличается от ШПЦС-200 добавкой 10 % портландцемента, который выступал в роли активатора твердения шлака.

Магнезиальный цемент получают обжигом магнезита MgCO3 или доломита MgCO3. СаСО3 при температуре 750–850 оС, а продукт обжига измельчают до дисперсности порошка, примерно такой же, как у портландцемента.

При этом получают вяжущие вещества, называемые магнезиальными: каустический магнезит MgO и каустический доломит MgO+ СаСО3.

Магнезиальный цемент является воздушным вяжущим веществом, потому что образуемый искусственный камень не водостоек. Однако в контакте с магнийсодержащими породами и при отсутствии пластовых вод он обладает значительно большей стойкостью, чем другие цементы.

Поскольку при затворении водой эти вяжущие вещества твердеют очень медленно, их затворяют растворами солей магния, чаще всего хлоридом магния, получая быстросхватывающуюся и быстротвердеющую суспензию.

В процессе твердения протекают следующие реакции: MgO + Н2О = Mg (ОН);

3Mg (ОН)2 + MgCl2 +ЗН2О= 3MgO .MgCl2.6Н2О; Mg (OH)2 + СО2 = MgCO3 + Н2О.

Основными продуктами твердения магнезиальных вяжущих являются гидроксихлориды магния, обобщенный состав которых можно представить в виде уMgO .MgCl2.zН2О.

Для затворения 1000 кг MgO берут около 0,5м3 концентрированного (плотностью около 1200 кг/м3) раствора MgCl2. Гидроксид магния Mg(OH)2 мало растворим в воде (менее 0,01 кг/м3), но гидроксихлорид магния легко разлагается в воде, и именно поэтому магнезиальные вяжущие вещества относятся к воздушным.

Вяжущие магнезиального твердения применяются в качестве тампонажных материалов для цементирования участков ствола скважин, сложенных солями магния (бишофиты, карналлиты).

Для повышения водостойкости к магнезиальным вяжущим веществам добавляют суперфосфат и обрабатывают химическими реагентами. Магнезиальный цемент обладает быстрым схватыванием и быстрым твердением, хорошей адгезией к металлу, органическим (опилки,

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Ъволокна) и минеральным наполнителями. Низкий рН поровой жидкости вызывает опасность коррозии металла, находящегося в контакте с затвердевшим магнезиальным цементом. Он не разрушается сероводородом, но и не связывает его, не препятствует его доступу, например, к стальным обсадным трубам.

Цементы на основе щелочных силикатов. Продукты твердения большинства традиционных цементов растворяются в кислотах, и поэтому их нельзя применять в условиях кислотной агрессии. В химической промышленности для приготовления кислотоупорных бетонов или растворов применяются кислотоупорные цементы.

Основой для их получения являются концентрированные растворы силикатов натрия и калия – растворимое (жидкое) стекло, обладающее вяжущими свойствами. В виде технического продукта они содержат смесь силикатов различной степени полимеризации: ортосиликат Na4SiО4(2Na2О.SiO2), метасиликат Na2SiО3(Na2О.SiО2) и дисиликат

Na2Si2O5(Na2O.2SiO2).

Твердение кислотоупорных цементов протекает в результате физикохимических процессов, когда выделяется постепенно кристаллизующийся гель ортокремниевой кислоты, который цементирует частицы наполнителя.

Гидролиз щелочного силиката с выделением геля кремнекислоты может наступить под действием углекислоты воздуха:

Na2SiO3 + 2H2O + CO2 = Si(OH)4+Na2CO3.

Эта реакция протекает с малой скоростью и только на поверхности, поскольку диффузия углекислоты вглубь стекла очень замедлена из-за образования на его поверхности плотной пленки.

Для получения объемного гелеобразования используют добавку кремнефтористого натрия (Na2SiF6), являющегося ускорителем или «инициатором» твердения.

Образующийся при затвердевании суспензий на основе растворимых силикатов цементный камень стоек в растворах большинства кислот, но не стоек в воде, щелочах, фосфорной и фтористоводородной кислотах.

Тампонажные жидкости на основе силикатов натрия (калия) применяются для закрепления пород на стенках скважин и в некоторых других специальных случаях.

Нельзя применять этот цемент в условиях действия щелочей, фтористоводородной и кремнефтористоводородной кислот, кипящей воды и водяного пара.

Кислотоупорные цементы и растворы широко применяются для футеровки различных аппаратов, кислотохранилищ, для сооружения кислотных башен, варочных котлов, защиты полов от действия кислот, газоходов от коррозии при транспортировании сернистых, хлористоводородных и других газов.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

13.7. Организация и проведение процесса цементирования

Руководство процессом цементирования осуществляет ответственный представитель тампонажной службы по плану работ на крепление скважины, утвержденному буровой организацией. Он проверяет готовность цементировочной техники к выполнению операций, проводит инструктаж с персоналом по очередности ввода в работу машин, заданному режиму работы агрегатов, допустимым максимальным давлениям, значениям плотности тампонажного раствора, а также распределяет объемы продавочной жидкости и дает другие указания в соответствии с планом.

В случае возникновения осложнений при цементировании, вызванных поглощением бурового или тампонажного раствора, газо-, водо-, нефтепроявлениями и др., дальнейшие операции по цементированию следует согласовать с ответственным представителем буровой организации.

Запрещается начинать цементирование обсадной колонны при наличии газонефтепроявления в скважине.

Если при цементировании обсадной колонны возникнут признаки газонефтепроявлений, то процесс цементирования следует продолжить с регулированием противодавления в заколонном пространстве с помощью превентора.

При цементировании скважины не допускается загрязнение территории буровой использованными тампонажными и буровыми растворами, а также их сброс в открытое море и другие водоемы.

13.7.1. Подготовительные работы к цементированию

Данный этап работ по креплению скважин включает вопросы, обеспечивающие выполнение работ по креплению скважин с максимальной эффективностью.

Подготовка тампонажных материалов

Применяемый тампонажный материал должен соответствовать геологическим условиям цементирования скважин (по пластовым давлениям и температурам) и удовлетворять требованиям ГОСТ 1581-96 или соответствующих технических условий.

Потребное количество тампонажного материала для цементирования обсадной колонны в пробуренной скважине следует определять с учетом данных профилеметрии. Для проектируемых скважин учитывается имеющийся опыт цементирования скважин на конкретной площади.

Количество тампонажного материала, затареного в смесители, необходимо контролировать взвешиванием.

Подбор рецептуры тампонажного раствора необходимо производить заблаговременно в соответствии со стандартными методиками, и не менее чем за пять суток до цементирования результаты должны быть