БУРЕНИЕ СКВАЖИН
УДК 622.244.442
© К.М. Минаев, В.М. Горбенко, 2015
Облегченные вермикулитсодержащие тампонажные растворы1
К.М. Минаев, к.х.н., В.М. Горбенко
(Национальный исследовательский Томский политехнический университет)
Lightweight cement slurries based оn vermiculite
K.M. Minaev, V.M. Gorbenko
(National Research Tomsk Polytechnic University, RF, Tomsk)
Адрес для связи: minaevkm@tpu.ru
Ключевые слова: облегченный тампонажный раствор, вермикулит, цементирование скважины.
E-mail: minaevkm@tpu.ru
Key words: lightweight grouting mortar, vermiculite, well cementing.
Selection of vermiculite-containing mixture based on cement brands PCT-I-G-CC-1 and PCT-1-100 were conducted in the framework of this research. This mixture provides lower density of grouting mortar while other parameters are provided in accordance with GOST 1581-96 "Grouting portland cement. Standard". Performance capabilities of grouting mortar were studied before and after polymeric reagents adding.
На многих месторождениях строительство скважин осложняется наличием в разрезе высокопроницаемых пластов и пластов с низким поро-вым давлением. Наиболее эффективным технологическим решением, позволяющим существенно сократить затраты на цементирование обсадной колонны в данных условиях, является использование облегченного тампо-нажного раствора заданной плотности. Использование легких систем цементирования в осложненных скважинах может значительно повысить качество цементирования и дебит скважины [1].
Чаще всего плотность тампонажных растворов уменьшают повышением водоцементного отношения (В/Ц). Однако это вызывает необходимость введения водоудержи-вающих добавок, в противном случае происходят расслоение цементного теста, увеличение водоотдачи и фильтрации тампонажного раствора. Рост водосодержания обычной портландцементной суспензии неизбежно связан с ухудшением ее седиментационной устойчивости. При В/Ц = 0,55 проявляется заметное водоотделение, которое при В/Ц = 0,6 достигает недопустимых значений.
Скорость фильтрации жидкости через суспензию можно уменьшить, повысив вязкость жидкости и степень дисперсности твердой фазы применением воздухововлекаю-щих добавок. Обычно вязкость цементного раствора повышают введением глин, однако формируемый цементный камень обладает низкой прочностью. В качестве воз-духововлекающих добавок наиболее распространены алюмокалиевые полые микросферы (АСПМ), которые яв-
Рис. 1. Фото вермикулита марки М200, фракция 0,5 мм (увеличение 40 раз)
ляются отходами сжигания топлива на ТЭЦ или других производств. Данные цементные системы хорошо изучены, обладают прогнозируемыми и относительно легко регулируемыми свойствами. Однако главный недостаток АСПМ - их дефицит, так как этот продукт не производится в требуемых объемах, а является отходом, что приводит к спекулятивному увеличению его стоимости. Альтернативой АСПМ в качестве воздухововлекающей добавки может быть вспученный вермикулит.
Вермикулит - минерал из группы гидрослюд, продукт вторичного преобразования слюды биотита (рис. 1), обладает тепло- и звукоизолирующими свойствами, а
1 Работа выполнена при финансовой поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере в рамках программы «УМНИК» и гранта компании BP Exploration Operating Company Limited.
также высокой впитывающей способностью, может впитать жидкости до 500 % собственной массы. Минерал не подвержен разложению и гниению под действием микроорганизмов, химически инертен, нейтрален к действию щелочей и кислот, является нетоксичным экологически чистым и стерильным материалом, не содержит тяжелых металлов [2].
По мнению некоторых авторов [3-6], эффективность облегченных тампонажных цементов (ОТЦ) с вермикулитом обусловлена тем, что при его взаимодействии с цементом образуются новые гидратные фазы, упрочняющие структуру композиционного материала. По сравнению с широко применимыми гельцементными растворами такой состав обладает лучшими закупоривающими свойствами; способствует увеличению высоты подъема цементного теста в трещиноватых породах; характеризуется низкой теплопроводностью, обеспечивающей лучшие условия твердения цемента; релаксирующей способностью, повышающей морозо- и трещиностойкость цементного камня.
Вермикулит находит ограниченное применение для строительства скважин, несмотря на то, что первые рецептуры с его использованием в цементных растворах были описаны в начале 80-х годов XX века [4, 7]. Это связано с недостаточным объемом производства данной добавки в районах добычи нефти, а транспортировка вспученного вермикулита более чем на 400 км нерентабельна. В настоящее время в Томске открывается крупное предприятие по производству вспученного вермикулита различных марок из отечественного и импортного сырья. Таким образом, появляется возможность выявить закономерности, обеспечивающие воспроизводство и оптимальные характеристики вермикулитоце-ментых смесей для крепления скважин.
Цель данной работы - разработка рецептуры верми-кулитоцементой смеси пониженной плотности при обеспечении параметров в соответствии со стандартом ГОСТ 1581-96 «Портландцемент тампонажный. Технические условия», совершенствование разработанной рецептуры путем введения в нее полимерных реагентов.
На первом этапе была подобрана рецептура облегченного тампонажного цемента, обеспечивающая наименьшую плотность при сохранении требуемой подвижности цементного теста в соответствии с ГОСТ 1581-96. В качестве цементной составляющей использовали ПЦТ-1^-СС-1, вермикулит марки М200 (насыпная плотность 200 кг/м3, фракция 0,5 мм). Плотность и растекаемость измеряли с использованием соответственно калиброванных рычажных весов-плотномера и конуса АзНИИ. Результаты приведены в табл. 1. Уменьшение В/Ц и увеличение содержания вермикулита в цементной смеси снижают подвижность и плотность цементного теста. Для дальнейших исследований выбраны составы I и II при В/Ц = 0,8.
На втором этапе полученный состав облегченного тампонажного раствора был испытан на соответствие требованиям к физико-механическим свойствам состава III согласно ГОСТ 1581-96. Время загустевания и во-доотделение цементного теста определялись соответственно с помощью настольного консистометра OFITE,
Таблица 1
Свойства цементного теста Состав I Состав II Состав III
В/Ц В/Ц В/Ц
[065 1,60 1,55 ГЕЯ [065 1,57 1,53 [080 1,48 ЕШ ПЕН [080 1,44
Растекаемость, мм 145 170 250 120 150 210 - <90 165
Примечания. 1. В состав I входят 90 % цемента и 10 % вермикулита, в состав II и III - соответственно 87.5/2.5 и 85/15 %. 2. В соответствии с требованиями ГОСТ 1581-96 растекаемость должна составлять не менее 180 мм.
Таблица 2
Показатели I Состав I I Состав II ГОСТ 1581-96
Плотность, г/см3 1,5 1,48 -
Растекаемость, мм 250 210 > 180
Время загустевания, мин, до консистенции 30 Вс при температуре, °С: 75 110 75 > 90
комнатной >430 155 Не регламентируется
Прочность на изгиб через 2 сут, МПа 1,7 1,45 1,0
Водоотделение, см3 3,5 4,2 <7,5
Рис. 2. Поверхность тампонажного камня в процессе испытания балочек на изгиб:
1 - вермикулитсодержащий цементный камень; 2 - цемент ПЦТ-1-в-СС-1
модель 80 и мерного цилиндра. Испытания прочности на изгиб балочек из цементного камня проводились с помощью устройства для определения прочности материалов при сжатии MATEST, модель Е160. Полученные результаты приведены в табл. 2, из которой следует, что оба состава соответствуют требованиям ГОСТ 1581-96. Однако повышенное содержание вермикулита снижает время загустевания цементного теста. В ходе испытания прочности балочек на изгиб отмечен эффект расширения цементного камня, полученного из облегченного тампонажного цемента. Для сравнения на рис. 2 представлена фотография вермикулитсодержащего цементного камня и цемента марки ПЩЧ^-СС-1.
Проведено сравнительное изучение объемной усадки разработанного состава цементной смеси (состав I) цементов ПЩЧ^-СС-1 (плотность 1880 кг/м3, растекаемость 210 мм, водоотделение 3,5 см3) и РТМ-75 (плотность 1850 кг/м3, растекаемость 220 мм, водоотделение
ь 3
£ X
3
2
3
12
бремя,
24
Рис. 3. Зависимость объемной усадки цемента от времени:
1 - ПЦ1Ч-0-СС-1; 2 - РТМ-75; 3 - состав I
4 см3). Испытания проводили на приборе измерения объемного расширения/усадки цемента OFITE 120-54 при постоянном давлении 0,7 МПа. Результаты представлены на рис. 3, из которого следует, что наименьшей усадкой обладает состав, содержащий вермикулит. Поскольку данный эффект проявляется при низких давлениях и повышенных температурах, можно предположить, что расширение раствора, содержащего вермикулит, происходит в результате замещения водой воздуха, находящегося в порах вермикулита, и его последующего расширения в цементном растворе.
В ТюменНИИгипрогаз проводилось цементирование с использованием цементовермикулитовых растворов комбинированным способом (прямым-обратным цементированием эксплуатационных колонн). Данный тип раствора был разработан и запатентован рядом авторов [8]. Дополнительно в состав композиции входил регулятор скорости схватывания хлорид кальция. Установлено, что оптимальными технологическими показателями обладают системы плотностью 1490-1520 кг/м3 при В/Ц = 0,8-0,9. Однако в настоящее время для обеспечения одноступенчатого цементирования эксплуатационных колонн требуется применение растворов плотностью 1350-1450 кг/м3. Таким образом, применение цементовермикулитовых растворов сильно сократилось, и они используются только для цементирования кондукторов в интервалах многолетнемерзлых пород [9].
В связи с отмеченным авторами предпринята попытка разработки рецептуры вермикулитсодержащего цементного раствора плотностью 1350-1400 кг/м3, что позволит использовать их при одноступенчатом цементировании скважины. Кроме того, для снижения
стоимости цементирования авторы отказались от применения цемента марки ПЦТ-1^-СС-1 в пользу более дешевого марки ПЦТ-1-100. Для получения более низкой плотности цементного раствора по сравнению с ранее испытанными рецептурами применили вермикулит меньшей на
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.