Разновидности тампонажных материалов.
Требование к ним.
Исходя из основных: функций образующегося в скважине цементного камня и, принимая во внимание особенности технологии процесса цементирования, к тампонажному раствору и формирующемуся из него камню предъявляются следующие требования.
Тампонажный раствор должен легко быть прокачиваемым. Прокачиваемость тампонажных растворов условно характеризуется растекаемостыо по конусу АзНИИ, консистенцией в условных единица, динамическим напряжением сдвига и структурной вязкостью. Плотность цементного раствора должна быть выше плотности промывочной жидкости, вместе с тем давление на стенки скважины при цементировании не должно превышать давление гидроразрыва пласта.
Отделение фильтрата из тампонажного раствора должно бытьминимальным, это диктуется необходимостью предотвратить загрязнение приствольной зоны пласта, преждевременное загустевание раствора.
Тампонажные растворы должны быть седиментационно-устойчивыми, что способствует формированию цементного камня с одинаковой плотностью по всему зацементированному интервалу, снижает вероятность образования каналов в камне и на контактах со стенкой скважины.
Прокачиваемость тампонажного раствора должна сохраняться в течение времени, достаточного для проведения цементирования. После продавливания тампонажного раствора за обсадную колонну, он должен быстро загустевать и схватываться.
Цементный камень должен быть практически непроницаемым. Свойства цементного камня не должны ухудшаться со временем под действием высоких (низких) температур и давлений, а также при воздействии агрессивных по отношению к продуктам твердения пластовых флюидов. При переходе тампонажного раствора в камневидное состояние, не должна происходить его усадка. Тампонажный камень и раствор не должны вступать в физико-химическое взаимодействие с. горными породами и обсадными колоннами, влекущее разрушение и понижение прочности последних.
Указанные свойства цементного раствора (камня) зависит от его вида, жидкости затворения, водотвердого отношения, условий твердения и регулируются добавками-ускорителями и заменителями схватывания, облегчающими добавками, реагентами - пластификаторами и, др.
По ГОСТ 25597-83 тампонажные цементы подразделяются по следующим признакам: вещественный состав цемента; температура применения цемента; платность тампонажного раствора; стойкость к виду агрессивного воздействия; собственны объемные деформации цементного камня.
По вещественному составу тампонажные цементы разделяются на следующие группы: портландцементы без добавок (кроме гипса); портландцементы с минеральными добавками более 20 %, портландцементы со специальными добавками 20 - 30 %; цементы на основе глиноземистого клинкера; безклинкерные цементы.
По температуре (°С) применения тампонажные цементы разделяются на следующие группы:
для низких температур 15
для нормальных температур 15-50
для умеренных температур 50-100
для повышенных температур 100-150
для высоких температур 150-250
для сверхвысоких температур 250
для циклически меняющихся температур
По плотности (кг/м3) получаемого тампонажного раствора тампонажные цементы подразделяются на следующие группы:
легкие 1400
облегченные I400-I650
нормальные I650-I950
утяжеленные 1950-2300
тяжелые 2300
По стойкости к агрессивному воздействию на тампонажный камень пластовых сред тампонажные цементы разделяются на следующие группы: стойкие к сульфатным средам; стойкие к кислым средам; стойкие к магнезиальным средам; стойкие к полимерным средам.
По величине собственных объемных деформаций при твердении: без особых требований; величина линейной деформации после 3 суток твердения до 0,1 % - безусадочные; величина линейной деформации расширения после 3 суток твердения более 0,1 % - расширяющиеся.
В настоящее время для цементирования скважин широко используются тампонажные портландцементы ГОСТ 1581-91 и их разновидности, а также специальные цементы серийно выпускаемые промышленностью.
Тампонажный портландцемент имеет несколько разновидностей, объединенных тем, что содержание в них портландцементного клинкерасоставляет не менее 30 %.
Тампонажные портландцементы делятся на базовые и специальные цементы, серийно выпускаемые промышленностью. Базовые тампонажные портландцементы содержат клинкера не менее 95 % (ПЦТ-ДО) или не менее 75 % (ПЦТ-Д20) и могут применяться как в готовом виде для приготовления тампонажных растворов, так и в качестве основы для приготовления специальных тампонажных цементов.
В ГОСТ 1581-85 введены сокращенные обозначения тампонажных портландцементов: Портландцементная основа ПЦТ; количество добавок указывается приставками: Д0 - бездобавочный; Д20, Д50, Д75 с минеральными добавками соответственно 20, 50 или 75%, например, ПЦТ-Д0 или ПЦТ-Д20.
Вид специальных; добавок вводимых в количестве более 20% определяется сокращениями "ут" - утяжеленный, "тж" - тяжелый, "обл" -облегченный, "пес" - песчанистый. В обозначении тампонажного портландцемента ПЦТ-Д50 сокращения "пес" может отсутствовать.
Например, ПЦТ-70 обл. обозначает, что имеется в виду портландцемент облегченный, в котором облегчающая добавка может достигать до 70%. Гидрофобизируюшая добавка (для улучшения сохранности) обозначается "Гф", например, ПЦТ-Д0-50 Гф.
Рекомендуемый температурный интервал применения указывается дополнительной приставкой после указания количества добавок. К обозначению цемента для низких и нормальных температур прибавляется 50, для умеренно высоких температур - 100, а для повышенных температур - 150.
Тампонажные портландцементы и их разновидности выпускаются согласно ГОСТ 1581-85 и изготовляются измельчением портландцементного клинкера, гипса и добавок, предусмотренных стандартом или без добавок.
Утяжеленный тампонажный портландцемент получают введением утяжеленных добавок (не более 70 %); песчанистый тампонажный цемент - введением кварцевого песка (не менее 20 % и не более 50 %); солестойкий тампонажный цемент - введением шлака (не менее 35 % и не более 50 %), активных минеральных добавок (не более 20 %) или же кварцевого песка не менее 20 % и не более 25 %, кроме этого он должен содержать натриевое жидкое стекло в количестве не менее 1,0 и не более2,5 % в перерасчете на сухое вещество Гигроскопический тампонажный цемент получают введением гидрофобизатора триэтаноламита не менее 0,025 и не более 0,05 % от массы цемента в пересчете на сухое вещество.
Требования ГОСТ 1581-85 к показателям качества тампонажных портландцементов.
Тонкость помола, тампонажных портландцементов всех видов для низких и нормальные температур должна быть такой, чтобы при просеивании через сито с сеткой № 008 проходило не менее 65 % цементов для умеренных и повышенных температур не менее 80 % массы просеиваемой пробы.
Содержание ангидрида серной кислоты (SO3) во всех тампонажных портландцементах должно быть не более 3,5 % по массе:
растекаемость цементного раствора, см 18
облегченного 1400-1650
утяжеленного 1950-2300
тяжелого более 2300
Коэффициент водоотделения тампонажных растворов из портландцементов должен быть не более, %:
ПЦТ-Д0 3,5
ПЦТ-120 3,5
ПЦТ-Д70-75 ут 4
ПЦТ-Д70 обл. и пес. 3,5:
Сроки схватывания тампонажных портландцементов приведены в таблице
Таблица
| Цемент | Температура испытания, °С | Сроки схватывания ч-мин | |
| начало не ранее | конец не позднее | ||
| Для низких и нормальных температур | 22±2 | 2-00 | 10-00х 18-00хх |
| Для умеренных и повышенных температур | 1-45 | 5-00х 8-00хх 6-00ххх |
х - Д0 и Д20; ххх - утяжеленные и песчанистые; хх - облегченные тампонажные.
Предел прочности при изгибе образцов из тампонажного портландцемента должен быть не менее указанных в таблице.
Таблица
Требования к прочности при изгибе образцов из тампонажных портландцементов
| Название тампонажного портландцемента (ГОСТ 25597-83) | Срок твердения, сут. | Предел прочности при изгибе (МПа) образцов из портландцемента | ||
| тампонажного Д0 и Д20 | облегченного | утяжеленного | ||
| Для низких и нормальных температур | 2,7 | 0,7 | 1,0 | |
| Для умеренных и повышенных температур | 3,5 | - | - |
Цемент, которому в установленном порядке присвоена высшая категория качества, должен удовлетворять дополнительным требованиям, указанным в таблице.
Таблица
Дополнительные требования к тампонажным портландцементам высшей категории качества
| Вид цемента | Разновидность | Скв. ч-мин не позднее | Изгиб МПа через 1 сут. | Сжатие МПа через 2 сут | |
| Портландцемент тампонажный бездо-бавочный и с мине ральными добавками | ПЦТ-Д20-50 ПЦТ-Д20-50 ПЦТ-Д0-Д100 ПЦТ-Д20-Д100 | - - - 21,0 | 9-00 4-30 | - 4,5 | - - |
| Портландцемент тампонажный облегченный | ПЦТ-Д70-50обл. ПЦТ-Д70-100обл | - - | 16-00 - | - - | - |
| Портландцемент тампонажный утяжеленный | ПЦТ-Д70-50ут. ПЦТ-Д70-100ут. | - - | 10-00 5-30 | - - | - - |
Для проверки сроков схватывания и прочности камня при изгибе по ГОСТ 1581-91 используют цементное тесто:
- в случае тампонажного и низкогигроскопического портландцементов с водоцементным отношением (В/Ц) 0,5;
- в случае остальных видов тампонажных портландцементов (В/Ц) подбирают таким, чтобы растекаемость раствора была не менее 180 мм и не более 220 мм.
Гарантийный срок - один месяц для всех цемёнтов, а для низкогигроскопического два месяца со дня изготовления.
Тампонажные спеццементы, серийно выпускаемые промышленностью.
Цель модификации тампонажных материалов - приведение в соответствие свойств базовых тампонажных цементов и приготовляемых из них растворов с условиями применения. Это касается, прежде всего, регулирования плотности тампонажных растворов, их реологических свойств, а также скоростей схватывания и твердения.
Цемент тампонажный облегченный (ОЦГ), ТУ 39-01-08-469-79 предназначен для цементирования скважин в пределах геостатических температур 30-150°С. ОЦГ - гидравлический вяжущий материал, полученный совместным измельчением портландцемента (не более 40 %), трепела (не более 45 %) и доменного гранулированного шлака(не более 20 %) и тщательным их смешиванием в сухом виде.
Технические требования к ОЦГ приведены в таблице. Рекомендуемое водотвердое отношение 0,95-1,20. Выход раствора из 1т. цемента в зависимости от В/Т от 1,20 до 1,40 м3.
Таблица
Требования к тампонажному цементу О.Ц.Г.
| Показатель | Нормативный показатель | ГОСТ на испытание образцов |
| Удельная поверхность цемента, м2 /кг | 1000 ± 300 | 310.2-76 |
| Плотность цементного раствора, кг/м3 | I450 ± 50 | 26798.1-85 |
| Время загустевания, мин | 26798.1-85 | |
| Предел прочности при изгибе образцов цементного камня, МПа | 1,1 | 26798.1-85 |
Примечание: время загустевания цементного раствора определялось при температуре 75±3°С и атмосферном давлении; продолжительность твердения образцов цементного камня составляла 48±2ч; предел прочности образцов при изгибе определяли при температуре 75±3°С и атмосферном давлении.
Тампонажные шлакопесчаные цементы типа ШПЦС (OCT 39-017-80) предназначены для цементирования нефтяных и газовых скважин и для изоляции соленоносных отложений. В зависимости от условий применения цементы подразделяются на две марки:
ШПЦС-120 - для скважин с забойными температурами 80-160°С;
ШПЦС-200 - для скважин с забойными температурами 160-250°С
Шифр означает: Ш -шлак, П - песок, Ц - цемент, С - совместный помол.
Тампонажные шлакопесчаные цементы - гидравлические вяжущие вещества, получаемые совместным измельчением высушенного гранулированного доменного шлака (не более 70 %) и кварцевого песка (не более 50 %) с последующим добавлением для цемента марки ШПЦС-120 портландцемента (не более 20 %). Технические требования к ШПЦС приведены в таблице.
Продолжительность твердения образцов тампонажного камня 24 ч. Гарантийный срок хранения цемента - 4 месяца со дня изготовления. Рекомендуемое водотвердое отношение: 0,43 для ШПЦС-120 и 0,40 для
ШПЦС-200. Выход раствора из 1т цемента в зависимости от В/Т: 0.75-0,78 м3 для ШПЦС-120, 0.70-0,75 м3 для ШПЦС-200.
Разработчик - ВНИИКРнефть.
Таблица
Технические требования к тампонажным цементам типа ШПЦС
| Параметр | Норма для цемента марки | ГОСТ на испытание образцов | |
| ШПЦС-100 | ШПЦС-200 | ||
| Удельная поверхность цемента, м2/кг | 250,0 | 250,0 | 310.2-76 |
| Растекаемость тампонажного раствора, см, не менее | 18,0 | 18,0 | 26798.1-85 |
| Сроки схватывания тампонажного раствора | |||
| Предел прочности цементного камня при изгибе через 24 ч твердения, МПа, не менее | 2,5 | 4,5 | 26798.2-85 |
Примечание: 1. Режим схватывания при определении сроков схватывания цементного раствора должен соответствовать указанному ниже:
марка цемента ШПЦС-120 ШПЦС-200
температура,°С 90±3 160±3
давление, МПа 40±2 60±3
2. Режим твердения при определении предела прочности образцов тампонажного камня должен соответствовать:
марка цемента ШПЦС-120 ШПЦС-200
температура,°С I20±3 200±3
давление, МПа 40±2 60±3
Тампонажный утяжеленный цемент типа УЦГ (ТУ 39-01-08-535-80) предназначен для цементирования нефтяных и газовых скважин с аномально высокими пластовыми давлениями, в том числе для изоляции пластов соленоносных отложений в пределах геостатических температур 20-100OC.
В зависимости от плотности тампонажногораствора УЦГ, подразделяется на две марки УЦГ-1, обеспечивающий получение тампонажного раствора плотностью 2060-2150 кг/м3 и УЦГ-2, обеспечивающий получение тампонажного раствора плотностью 2160-2300-кг/м3.
УЦГ - гидравлическое вяжущее вещество, получаемое смешением портландцемента (не менее 20 %)с раздельно или совместно измельченными железной рудой (не более 75 %) и доменным гранулированным шлаком (не более 20 %) или без него. Технические требования к УЦГ приведены в таблице.
Гарантийный срок хранения цемента - 3 месяца со дня изготовления. Рекомендуемое водотвердое отношение: 0,35 для УЦГ-1 и 0,33 дляУЦГ-2. Выход раствора из 1 т цемента в зависимости от В/Т 0,62 - 0,64м3,для УЦГ-2 0,58-0,6 м3.
Цемент тампонажный для циклически меняющихся температур типа ЦТПН (ТУ-39-1057-85) предназначен для цементирования скважин при разработке нефтяных месторождений термическими методами: нагнетание пара с температурой рабочего агента до 350°C.
ЦТПН - гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем совместного тонкого помола высушенного гранулированного доменного шлака (не более
30 %), кварцевого песка (не более 30 %) и портландцементного клинкера (не более 60 %) или смешением совместно измельченных кварцевого песка и шлака с портландцементом в определенных соотношениях
Технические требования к ЦТПН приведены в таблице.
Гарантийный срок хранения ЦТПН - 3 мес. со дня изготовления цемента. Рекомендуемое водотвердое отношение 0,43-0,45. Выход раствора из 1 т цемента 0,75-0,78 м3. Рекомендуемое водоцементное отношение 0,45.
Таблица
Технические требования к тампонажному цементу ЦТПН
| Показатель | Норма | ГОСТ на испытание образцов |
| Удельная поверхность цемента, м2/кг, не менее | 310.2-76 | |
| Плотность тампонажного раствора,кг/м3 | 1840±40 | 26798.1-85 |
| Растекаемость тампонажного раствора, см, не менее | 18 - 22 | 26798.1-85 |
| Сроки схватывания тампонажного раствора при температуре 22±2°С и давлении 0,1 МПа,начало, не ранее конец не позднее | 2,0 7,0 | |
| Предел прочности цементного камня в МПа при температуре 22±2°С и давлении 0,1 МПа, не менее | 1,5 | 26798.1-85 |
Цемент тампонажный для низкотемпературным скважин типа ЦТН (ТУ 113-08-565-85) предназначен для крепления нефтяных и газовых скважин в многолетнемерзлых породах и зонах прилегающих к ним, при температурах от +30 до -2°С.
Тампонажный цемент типа ЦТН представляет собой гидравлическое вяжущее вещество, полученное тщательным смешением a-голугидрата сульфата кальция (70-80 %), портландцемента (20/30 %) и регулятора твердения
(0,2-0,5 %). Технические требования к ЦТН приведены в таблице. Гарантийный срок хранниияЦТН-4 месяца со дня изготовления.
Рекомендуемое водотвердое отношение 0,42-0,50. Выход раствора из 1т цемента в зависимостиот В/Т =0,75-0,77 м3.
Таблица
Технические требования к тампонажному цементу ЦТН
| Показатель | Норма | ГОСТ на испытание образцов | |
| Высшая категория | Первая категория | ||
| Удельная поверхность цемента, м2/кг, не менее | 310.2-76 | ||
| Растекаемость тампонажного раствора, см, не менее | 18 - 20 | 18 - 20 | 26798.1-85 |
| Сроки схватывания тампонажного раствора при температуре 20°С час - мин. начало, не ранее конец не позднее | 1 - 15 3 - 00 | 1 - 10 6 - 00 | |
| Предел прочности при изгибе образцов через 24 ч. твердения, МПа не менее, при температуре 20°С при температуре -2°С | 2,0 1,5 | 1,8 1,4 | Раздел3 ТУ 113-08-565-85 |
К тампонажным материалам для низкотемпературных скважин предъявляется ряд специфических технических требований.
1. Способность схватываться в короткий период и набирать прочность при существующих в заколонном пространстве температурах ММП без дополнительного подогрева жидкости затворения и внутриколонного пространства.
2. Максимальный период прокачиваемости при предельно сокращенных сроках схватывания, достаточный для продавливания цементного раствора в затрубье скважины должен составить не менее 2ч.
3. Тампонажные материалы должны обладать повышенной вытесняющей способностью, низкой водоотдачей и нулевым водоотстоем. Для этого тампонажный раствор должен иметь плотность, превышающую плотность бурового раствора как минимум на 120 кг/м3; быть седиментационно-устойчивым без водоотделения, обладать высокой скоростью структурообразования.
4. Способность твердения при минимальном тепловыделении цемента во избежании, распределения ММП и возникновения деформацийрастяжения - сжатия в колонне, приводящих к образованию микрозазора в контактной зоне с цементным камнем.
5. Отсутствие усадки и плотный контакт с колонной и породой, низкая проницаемость и долговечность цементногокамня.
6. Морозостойкость - и водостойкость цементногокамня. Эти требования обусловлены необходимостью сохранения прочности при повторяющихся циклах замораживания - оттаивания в процессе строительства, консервации и эксплуатации скважин. В связи с использованием гипсовых магнезиальных вяжущих веществ в качестве компонентов композиционных тампонажных материалов к последним предъявляются требования повышенной водостойкости. Коэффициент водостойкости такого камня должен быть не менее 0,8.
7. Теплоизолирующие свойства цементной изоляции, обеспечивающие по сравнению с использованием обычного цементного раствора снижение интенсивности теплопередачи в 3-4 раза и создание за счет аккумуляции тепла благоприятных условий для формирования цементного камня.
Тампонажные материалы и растворы, приготовляемые в полупромышленных и промысловых условиях.
Цементно-бентонитовые смеси (гельцементы) представляют собой смесь портландцемента с бентониторым глинопорошком (до 30 - 40 %). При В/Т = 1,05 можно затворить раствор с плотностью 1450 кг/м3. Облегченные цементно-бентонитовые растворы рекомендуется использовать в скважинах с температурой до 80°С при отсутствии солевой агрессии.
В МИНГ им. Губкина разработаны различного вида цементы: тампонажный трепельный цемент для цементирования скважин с температурой 40-90°С; песчано-трепельный цемент - для скважин с забойными температурами 90-120°С и тампонажный белито-трепельный цемент для скважин с забойными температурами 120-200°С.
Плотность растворов на их основе находится в пределах 1500-1600 кг/м3.
Уфимским нефтяным институтом разработаны рецептуры тампонажных материалов на основе твердых остатков содового производства для скважин с забойными температурами 120-250, 20-180, 8-20°С.
Тампонажный материал для высоких температур (120-250°С) представляет собой сырьевую смесь продукта обжига твердого остатка содового производства и песка. Твердый остаток содового производства является отходом производства кальцинированной соды и представлен в основном карбонатами кальция.
Тампонажный материал для широкого интервала температур получают путем введения в состав первого при помоле клинкера портландцемента.
Тампонажный материал для низких температур представляет собой продукт обжига ферротитанового шлака и твердого остатка. В результате обжига получается белито-алюминатное вяжущее.
Проведенные опытно-промышленные испытанияна некоторых месторождениях Советского Союза показали перспективность их изготовления и применения для цементирования скважин.
В ТюменНИИГипрогазе разработаны и применяются на месторождениях Севера Тюменской области вермикулитовый и перлитоцементный тампонажные составы для пониженных температур (+30 ¸5°С). Вермикулит и перлитовый песок являются пористыми облегченными добавками с низкими значениями удельной насыпной массы (100-200 кг/м3). В качестве интенсификатора твердения использован 10-20 % водный раствор хлорида кальция. За счет содержания газообразной фазы цементный камень из указанных растворов обладает лучшими теплофизическими свойствами.
Во ВНИКРнефть разработаны аэрированные тампонажные растворы. Основными параметрами, характеризующими качество этих растворов, являются его, краткость (отношение высоты вспененного тампонажного раствора к высоте невспененного исходного раствора) и устойчивость (%) - способность вспененного тампонажного раствора сохранять первоначально достигнутую высоту столба в мерном цилиндре в течении определенного времени. Для достижения максимальных величин кратности и устойчивости необходимо тщательно подбирать тип и дозировку ПАВ к цементному раствору.
В Тюменском индустриальном институте разработан низкотемпературный седиментационно-устойчивый, безусадочный тампонажный материал (ЦНУБ). Предназначен для цементирования обсадных колонн нефтяных и газовых скважин в интервале температур от минус 8 до +80°С, состоит из клинкера тампонажного портландцемента, обоженного твердого остатка содового производства и воды. Применяется в двух вариантах: нормальной плотности с комплексной добавкой кальцинированной соды и нитрилтриметиленфосфоновой кислоты (НТФ) при В/Ц = 0,37…0,5, пониженной плотности с добавкой цеолита и хлорида кальция при В/Ц =0,6...1,0. Тампонажный материал ЦНУБ отличается от аналогов на основе гипсоцементной смеси "Пермафрост" (США) и тампонажных портландцементов с добавками ускорителей схватывания высоким качеством сцепления с обсадными трубами и горной породой, более высокой прочностью камня при изгибе в условиях пониженных температур, повышенной седиментационной устойчивостью.