ОБЛЕГЧЕННЫЙ ТАМПОНАЖНЫЙ ЦЕМЕНТ ДЛЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СКВАЖИН
В. ОВЧИННИКОВ, В. КУЗНЕЦОВ, А. ФРОЛОВ, Ю. ГАЗГИРЕЕВ, Тюменский государственный нефтегазовый университет, ДООО «Бургаз»
Сооружение скважин на месторождениях Крайнего Севера Западной Сибири осложнено наличием в их геологическом разрезе многолетнемерзлых горных пород и пластов с низкими давлениями гидроразрыва.
Обеспечение подъема тампонажного раствора до устья и формирование в заколонном пространстве сплошного, малопроницаемого цементного камня представляется возможным за счет применения облегченных тампонажных
композиций с повышенной гидравлической активностью при низких положительных и отрицательных температурах, твердение которых не сопроводжается усадочными деформациями.
В связи с тем, что до сих пор отечественной промышленностью не налажен серийный выпуск специальных тампо-нажнажных материалов для низкотемпературных скважин, на месторождениях Крайнего Севера при их цементировании
Табл.
Характеристики тампонажного раствора и камня
а, р м Сроки Прочность Расширение
Состав тампонажного раствора, масс. % о в с схватывания, цементного камня, цементного камня,
т с а р ь, т с о Час- мин. МПа % через
о| г Портландцемент Микросферы алюмосили-катные ОТОС 4% водный раствор СаС12 Плотность кг/м3 г е а к е т с а о. начало конец 2 сут. 7 сут. 14 сут. 2 сут. 7 сут. 14 сут.
Температура испытаний 20° С
1 49,8 6,2 6,0 38,0 1540 22 5-10 6-45 3,4 4,6 4,9 0,27 0,30 0,30
2 47,4 7,5 6,1 39,0 1500 22 6-22 7-10 3,2 4,2 4,7 0,24 0,27 0,27
3 45,3 9,1 6,2 39,4 1430 22 6-50 8-20 1,8 2,8 3,4 0,20 0,23 0,24
Температура испытаний -2° С
4 49,6 6,2 6,2 38,0 1540 22 6-57 10-30 1,55 3,0 4,1 0,18 0,18 0,18
5 48,5 7,5 6,1 39,0 1500 22 7-15 10-50 1,30 2,6 3,2 0,18 0,18 0,18
6 45,5 9,1 6,0 39,4 1430 22 8-10 11-05 1,15 2,4 2,8 0,16 0,16 0,16
опыт
применяются в основном модифицированные вяжущие на основе портландцемента. Для регулирования свойств тампо-нажных цементов применяются многообразные химические реагенты.
Облегченные тампонажные растворы обычно получают путем увеличения содержания жидкости затворения по отношению к твердой фазе при одновременном повышении водоудерживающей способности, замены части вяжущего вещества наполнителем меньшей плотности, либо введением большого объема газообразной фазы при одновременном ее диспергировании и стабилизации образующейся пены. Имеется большое многообразие облегчающих добавок. Это тонкодисперсные или самораспускающиеся гидрофильные материалы, вводимые в состав цемента для уменьшения седиментации (глинопорошки, опоки, мел и др.); водорастворимые неорганические и органические вещества, предотвращающие седиментацию раствора (целлюлозы, соли некоторых поливалентных металлов и др.); органические материалы-наполнители (резиновая крошка, пластмасса, угольный порошок и др.); га-зосодержащие неорганические и органические вещества (вспученный перлит, керамзит, топливные золы и др.); добавки, вызывающие химическую реакцию газовыделения и др. Для сокращения сроков схватывания цемента при низких положительных и отрицательных температурах вводят реагенты-ускорители различной концентрации.
Проведенный анализ показывает, что большинство облегчающих добавок является инертным наполнителем, не участвующим в процессе формирования структуры камня, а повышенное их содержание становится причиной снижения активности вяжущего. Если для высоко-температурных скважин это не является проблемой, т. к. повышается гидравлическая активность самого вяжущего, то для низких температур вопрос понижения плотности тампонажного раствора — достаточно сложная задача.
В этой связи разработан облегченный тампонажный раствор, включающий тампонажный портландцемент, облегчающую добавку — алюмосиликатные микросферы (10—15%), расширяющий компонент — ОТОС (10%) и жидкость затворения — 4%-ный раствор хлористого кальция.
Алюмосиликатные микросферы — продукт сепарации зол ТЭЦ — характеризуются следующими свойствами. Минералогический компонентный состав (преимущественно: БЮ2 — 54,4%, АЬО3 — 25,1%, Ре203 — 5,8%, К2О — 5,4%, СаО — 1,7%, МдО — 1,41%, ^0 — 1,07%) представляет собой легкий сыпучий порошок серого цвета, состоящий из отдельных полых частиц сферической формы, истинная плотность которого составляет 300 кг/м3. Прочность оболочек на разрушение при гидростатическом сжатии — до 30 МПа.
Обожженный твердый остаток содового производства представляет собой порошок серого цвета, содержащий частицы размером не более 0,1—0,6 мм в количестве 70—80% и является отходом производства кальцинированной соды. Химико-минералогический состав твердого остатка содового производства следующий: СаСО3 — 46,4—52,3%, МдСО3 — 4,5—5,2%, Са(ОН)2 — 9,4—18,6%, БЮ2 — 12,4—19,5%, Ре2О3 — 2,3—4,4%, АЫЭ3 — 2,8—4,6%, СаБО4 — 2,4—4,3%, МдСЬ — 3,1—5,8%; СаСЬ — 2,8— 3,4%; №С1 — 1,4—1,8%.
В процессе обжига происходит декарбонизация СаСО3 и частично твердофазные реакции между СаО, БЮ2, А12О3 и Ре2О3, при этом образуются продукты, обладающие вяжущими свойствами.
Действие добавки твердого остатка содового производства при твердении тампонажного материала основывается на химическом взаимодействии активного оксида
кальция с жидкостью затворения с образованием гидрокси-да кальция, имеющего больший по сравнению с исходными соединениями объем. Данный процесс протекает на ранних стадиях твердения, и поэтому он способствует расширению твердеющей системы без деструкционных разрушений формирующегося камня.
Сравнение с известными тампонажными растворами производилось для составов, отвечающих требованиям стандартов на облегченные тампонажные растворы.
Приготовление тампонажного раствора и определение его основных физико-механических параметров (плотность, растекаемость, прочность цементного камня) осуществлялось в соответствии с существующими стандартами при температуре 20° С и атмосферном давлении. Дополнительно были проведены испытания образцов при температуре твердения минус 2° С.
Испытание тампонажного камня на прочность и расширение производили через 2, 7 и 14 суток со времени затво-рения тампонажного раствора.
Результаты испытаний приведены в таблице.
Полученные данные свидетельствуют, что предложенный тампонажный раствор характеризуется удовлетворительными прочностью, сроками схватывания и значительным расширением. Это позволяет рекомендовать его для цементирования арктических скважин в интервале залегания мерзлых горных пород.
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.