опыт
ПРИМЕНЕНИЕ КРЕМНЕЗЕМИСТЫХ ТИВНЫХ ДОБАВОК ДЛЯ ПО!
liKOCTI ТАИПОНАЖНЫХ ЦЕМЕНТ01
И. БЕЛЕЙ, Н. ЩЕРБИЧ, ООО "ТюменНИИЛрогаэ" В. КОНОВАЛОВ, филиал "Тюменбургаз" ООО "Бургаз" В. НОЗДРЯ, ЗАО "Спецбурматериалы" Е. ЦЫПКИН, ООО "Гранула"
Основные объемы добычи газа на севере Западно-Сибирской нефтегазоносной провинции обеспечивают в настоящее время залежи в неоком-сеноманских толщах. Базовые залежи месторождений Надым-Пуртазовского региона в значительной степени выработаны и вступили в стадию падающей добычи. В связи с этим актуальным становится расширение объемов поисково-разведочных работ на ачимовские и юрские отложения, а также строительство эксплуатационных скважин для разработки уже разведанных участков ачимов-ской толщи.
Учитывая значительно более сложные горно-геологические условия залегания указанных объектов, особенности характеристик по коллек-торским свойствам, пластовым давлениям и температурам, строительство скважин, обеспечивающих высокую эксплуатационную надежность, представляет сложную технико-технологическую задачу. В частности, для создания долговременной герметичной крепи в условиях повышенных пластовых температур 120 - 130"С требуется применение специальных тампонаж-ных цементов, позволяющих приготавливать тампонажные растворы с технологически необходимыми реологическими, фильтрационными, изолирующими и другими показателями и в то же время формировать термо-и коррозионностойкий камень.
Выпускаемые в настоящее время тампонажные портландцементы типа ПЦТ 1-100 и ПЦТ 11-100 допускается применять, согласно ГОСТу 1581-96, при статических температурах не более 100' С. Данное ограничение обосновано исследованиями авторов [1, 4], установивших, что в случае более высоких температур во времени происходит снижение прочности цементного камня и, что более опасно, увеличение его проницаемости в результате процессов термодеструкции.
Отмеченный вывод основан на результатах долговременных испытаний, однако наличие при повышенных
температурах процессов, отрицательно сказывающихся на прочностных характеристиках камня, может проявляться уже на ранней стадии твердения [5]. При тестировании стандартных тампонажных портландцементов в течение 24 часов авторами было установлено различие в интенсивности увеличения и конечных значениях прочности камня в зависимости от температуры твердения и избыточного давления. В образцах, испытываемых при температуре 120"С и характеризующихся более высокой начальной скоростью гидратации, наблюдается достаточно быстрая стабилизация значений R^, которые имеют меньшие величины по сравнению с образцами, твердевшими при 75°С (рис. 1).
Испытания проводились с использованием косвенного неразрушающе-го метода определения предела прочности камня при сжатии и непрерывного изменения его во времени с помощью прибора - ультразвукового анализатора 5265U фирмы Chandler Engineering. Анализатор позволяет производить испытания с использованием одного образца камня при заданных температурах
и давлениях и, несмотря на условность определений, обеспечивает сопоставимость результатов благодаря воспроизводимости с высокой точностью режимных условий твердения по температуре и давлению.
Полученные результаты в целом согласуются с данными, приведенными в работах [1, 4], в которых отмечается возможность формирования камня с более низкими прочностными характеристиками по мере увеличения температуры. По мнению авторов [2], это влияние одного из видов деструктивных процессов, который связан с кинетическими особенностями структурообразования. При большой скорости гидратации быстро достигаются высокие степени пересыщения -из пересыщенного раствора лавинообразно выделяются продукты гидратации. Одновременно выпадают и совместно кристаллизуются новообразования различного состава, образуя как бы наспех сформированную структуру. Чем быстрее протекает процесс гидратации, чем интенсивнее идет процесс формирования структуры, тем раньше начинается и тем интенсивнее протекает процесс деструкции.
10 15
Время твердения, час.
Рис. 1. Характер изменения прочности камня во времени при твердении растворов на основе тампонажных портландцементов различных заводов при температурах 75 и 120 (выход на режимные температуры и давления 40 и 60 МПа -60 мин.)
Топотки«ПЦТ 1-100 при 75b ТстзогаоАПЦТ 1-100 при I20fc НиюгроицюйПЦТ 11400 при 75 Ъ НоютроэдкийПЦТ 11-100 при 120'С СзположсгайПЦТ 1-100 при 75b Суяоложскнй ГЩТ 1-100 при 120*С
БУРЕНИЕ И НЕФТЬ 122005
13
По мнению авторов [5], на основании результатов даже недолговременных испытаний можно говорить о возможной термостойкости тампо-нажного камня на базе стандартных портландцементов в зависимости от скорости гидратации и времени стабилизации его прочности.
Одним из основных способов целенаправленного повышения термостойкости тампонажного камня на основе портландцементов является использование специальных добавок с большим содержанием оксида кремния - кислотного компонента. Механизм взаимодействия кремнеземистых добавок с составляющими портландцемента изучен достаточно хорошо и заключается в связывании ими свободного оксида кальция как основного компонента и образовании более стабильных при повышенных температурах соединений [1, 2, 3, 4].
Существуют природные и искусственные кремнеземистые добавки. К природным относятся молотый кварц и кварцевые пески, диатомит, трепела и опоки, включая цеолитсо-держащие, цеолиты, вулканические стекла (перлиты и др.). Основные их характеристики приводятся в табл. 1. Природные кремнеземистые добавки различаются содержанием кремнезема, различными соотношениями полиморфных модификаций, разнообразными размерами и формами природных зерен, гидравлической активностью, обменной емкостью и водопоглощением, что позволяет использовать их для получения широкого спектра тампонажных цементов.
К искусственным относятся золы, белая сажа, аэросил, "сиштоф" и прочие. Белая сажа и аэросил характеризуются преимущественно аморфным кремнеземом, высокой дисперсностью: 1 - 100 мкм и 5 - 40 мкм соответственно, объемной массой: 40 -100 кг/м3 и высокой активностью. "Сиштоф" имеет высокое содержание аморфной кремневой кислоты, А1201 до 12% и примесей 803
Для получения термостойкого, непроницаемого цементного камня в условиях высоких температур разработаны также специальные шлакопесча-ные цементы ШПЦС-120 (температура применения 100 - 160°С), ШПЦС-200 (температура применения 160 -200°С). Недостатками цементов ШПЦС являются: нестабильность состава - применяемый при изготовлении цемента доменный шлак имеет различный состав активных окислов кальция, алюминия, железа и др.; неудовлетворительные физико-механи-ческие характеристики (сроки тверде-
ния, прочность камня) при температурах менее 90 С, характерных для верхних интервалов в случае ступенчатого цементирования.
Поэтому наиболее оптимальным решением задачи по созданию термостойких цементов для цементирования обсадных колонн в интервалах ачимовских и юрских отложений, по нашему мнению, является добавка к стандартным тампонажным портланд-цементам тонкодисперсного кремнезема (8Ю2). Обычно в качестве такой добавки используют молотый кварцевый песок, чаще всего содержащий примеси полевого шпата, слюды, известняка. Присутствие этих примесей негативно влияет на свойства формирующегося цементного камня - происходит резкое снижение его прочности и коррозионной стойкости. Другой важной составляющей является размер зерен добавки. Чем больше дисперсность добавки, тем выше ее активность при взаимодействии с минералами цементного клинкера.
В результате тщательного анализа выпускаемых кремнеземов для получения седиментационно-устойчивых термостойких тампонажных растворов с плотностью 1800 - 1850 кг/м1 в качестве основной добавки был выбран молотый пылевидный кварц производства ЗАО "Спецбурматериалы", отличающийся следующими свойствами:
• высокой химической чистотой: БЮ2 > 98,5% с содержанием примесей СаО < 0,15%, Ре20, < 0,15%, А120, < 0,8%;
• высокой дисперсностью: остаток на сетке № 0063К составляет не более 9%, а средний размер зерен - около 25 - 30 мкм;
» высокой удельной поверхностью -
4 710 см2/г; ° наличием в своем составе активного кремнезема - а-тридимита и кристобалита, опала; ® низкой влажностью: массовая доля воды менее 0,15%. В опытах использовались тампо-нажные портландцементы Новотроицкого, Сухоложского, Топкинского и Горнозаводского заводов [5]. Соотношение портландцемента и кварца пылевидного выбиралось в основном из расчета 0,8 - 1,0% кварца на 1,0% трехкальциевого силиката C,S. Для оценки влияния величины добавки кварца на прочностные характеристики камня из Сухоложского портландцемента ПЦТ 1-100 и ПЦТ I-G-CC-1 исследованы составы, содержащие от 10% до 60% добавок.
Компоненты смешивались в сухом виде и затворялись на пресной воде при водосмесевом отношении В/С = 0,5. После замера основных технологических параметров тампо-нажные растворы подвергались автоклавной обработке в течение 24 и/или 48 час. при температуре 120°С и давлении 60 МПа. После автоклавного воздействия образцы цементного камня охлаждались, определялась их расчетная прочность на изгиб по прибору "Бетон-8УР" и прочность на сжатие на прессе фирмы Chandler Engineering.
С целью определения времени начала затвердевания тампонажных растворов и изучения характера изменения прочности камня в забойных условиях в процессе твердения испытания смесей проводились также на ультразвуковом анализаторе 5265U.
Время твердения, час.
Рис. 2. Характер изменения прочности камня во времени при твердении растворов на основе Сухоложского ПЦТо1-100 (срок хранения 3 мес.) с добавками кварца пылевидного при температуре 120 С (выход на режимную температуру и давление 60 МПа - 60 мин.)
14
БУРЕНИЕ И НЕФТЬ 1 2/2005
опыт Ц
Природные кремнеземистые добавки Табл. 1
Наименование Содержание химических компонентов Гранулометри- Минералогический состав,
добавки эю2 А1гОэ 0,1 £Рег03 СаО+МдО К20+Ма0г состав, мкм размер природных зерен
МОЛОТЫЙ КВАРЦ 99.5 0,01 Сл Сл 0-100 ФР 4 а - кварц; 1 - 10 мм
молотый КВАРЦЕВЫЙ ПЕСОК 98,3 0,5 0,2 Сл. Сл. 0-63 фр. 3 а - кварц,
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.