Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Большинство из известных минеральных вяжущих веществ может быть использовано в качестве базовых тампонажных материалов. К важ­нейшим из них относят портландцемент, глиноземистый и гипсогли­ноземистый цементы, гипсовые вяжущие вещества и др.

Согласно ГОСТ 25597—83 «Цементы тампонажные. Классифика­ция», тампонажные цементы подразделяют по следующим основным признакам:

по вещественному составу:

У портландцемент (без добавок);

✓ портландцемента с минеральными добавками не более 20 %;

✓" портландцемента с минеральными добавками от 20 до 80 %;

У глиноземистые цементы;

У бесклинкерные цементы; по температуре применения:

У для низких температур (<15 °С);

✓ нормальных (15—50 °С);

✓ умеренных (50—100 °С);

У повышенных (100—150 °С);

У высоких (150—250 °С);

✓ сверхвысоких (>250 °С).

У циклически меняющихся; по стойкости к агрессивному воздействию:

У стойкие к сульфатным средам;

■/ стойкие к кислым (углекислая, сероводородная) средам;

У стойкие к магнезиальным средам;

У стойкие к полиминеральным средам; по величине собственных объемных деформаций при твердении:

•/ без особых требований;

У безусадочные (величина линейной деформации после 3 сут твердения до 0,1 %);

У расширяющиеся (величина линейной деформации после 3 сут твердения более 0,1 %).

Портландцемент — порошкообразный вяжущий материал, в состав которого входят высокоосновные силикаты кальция, оксиды глинозема, железа и другие примеси. Содержание основных оксидов в портланд­цементе колеблется в следующих пределах: 60—66 % оксида кальция, 18—25% кремнезема, 4—8% глинозема, 0,5—5% оксида железа, 0,1— 5 % оксида магния. Свойства портландцемента могут меняться в зави­симости от состава клинкера. Портландцемент имеет плотность 3,1— 3,15 г/см3, насыпную массу — 900—1100 кг/м3 и удельную поверхность — 250—400 м2/кг. Тонкость помола цемента должна быть такой, чтобы при просевании сквозь сито № 008 (размер основной ячейки в свету 0,08 мм) по ГОСТ 3584—73 происходило не менее 85 % от массы пробы.

В промышленности выпускаются следующие разновидности порт­ландцемента, используемые в бурении:

✓ портландцемент общестроительного назначения марок 400, 500, 550 и 600;

•/ высокопрочный портландцемент марок 600, 700 и 800, характе­ризующийся повышенным содержанием алита, более тонким измель­чением и небольшим (до 5%) содержанием активных минеральных добавок;

✓ быстротвердеющий портландцемент, характеризующийся быст­рым нарастанием прочности в начальные сроки твердения (до 7 сут); выпускают цементы марок 400, 500 и 700;

✓ сульфатостойкий портландцемент, отличающийся строго нор­мированным составом клинкера (ограничивается содержанием алита и трехкальциевого алюмината), обладающий повышенной коррозион­ной стойкостью и сульфатостойкостью;

✓ дорожный портландцемент с высоким содержанием алита и ог­раниченным расчетным содержанием трехкальциевого алюмината (до 10 %); из добавок он содержит обычно доменный шлак;

✓ пластифицированный портландцемент, содержащий пластифи­цирующую добавку, в качестве которой используют поверхностно­активные вещества (понизители вязкости) в количестве 0,1—0,4%; эти цементы образуют весьма подвижные суспензии, обладающие за­медленным твердением;

✓ гидрофобный портландцемент с добавками, уменьшающими гид­ратацию цементных зерен в процессе длительного хранения; в каче­стве гидрофобизирующих добавок используют олеиновую кислоту, аси­дол, мылонафт в количестве 0,1—0,3 %;

✓ песчанистый портландцемент, получаемый путем совместного помола кварцевого песка (25—40 %) с портландцементным клинкером и гипсом и характеризующийся термостойкостью в гидротермальных условиях, однако обладающий плохой седиментационной устойчиво­стью и замедленным твердением;

✓ шлакопортландцемент, содержащий, кроме клинкера и гипса, доменный гранулированный шлак в количестве 30—60 % и отличаю­щийся повышенной коррозионной стойкостью к солям и сульфатам, замедленным схватыванием и твердением при незначительных темпе­ратурах; при высоких температурах интенсивность структурообразова — ния значительно возрастает;

S пуццолановый портландцемент с добавками осадочного (20—30 %) или вулканического (25—40 %) происхождения (опоки, трепелы, диатомиты, глиежи, т. е. глины естественные жженые, пемзы, вулка­нические шлаки, вулканические пеплы, туфы, порфироиды); обладает пониженной интенсивностью твердения при низких температурах и ускоренным твердением при высоких.

Сведения о наиболее часто используемых в бурении цементах и условиях их применения приведены в табл. 10.1.

Таблица 10.1. Основные виды цементов и условия их применения Тип цемента Область применения Дополнительные условия Тампонажний портланд­цемент (ГОСТ 1581-85) Сульфатостойкий портланд­цемент (ГОСТ 22266-76) Пуццолановый сульфато­стойкий портландцемент (ГОСТ 2266-76) Шлакопортландцемент (ГОСТ 10178-76) Шлакопесчаный цемент (ТУ 39-9-27-71) Магнезиальный цемент на основе каустического магнезиального порошка (ГОСТ 1216-75) Облегченный портландце­мент (ГОСТ 1581-85) Цемент тампонажний серо­водородостойкий (ТУ 21-20-64-85) Цемент тампонажный утя­желенный (ТУ 39-01-08-535-80) Отсутствие агрессивных подземных вод Агрессивные сульфатные подземные воды Агрессивные сульфатные и мягкие подземные воды Агрессивные магнезиаль­ные подземные воды Средневодородная агрессия Соленосные отложения Отсутствие агрессивных вод, ликвидация поглощений Сероводородная агрессия Для высоких пластовых дав­лений При тампонировании соле­ностойких пород применять ускорители схватывания При температуре менее +10 “С применять только с ускори­телями схватывания Затворяется на насыщенном растворе М§СЬ Применяют с ускорителями схватывания

Глиноземистый цемент — быстротвердеющее вяжущее вещество, полу­чаемое при тонком помоле продуктов совместного спекания или плавле­ния боксита и извести. Примерное среднее содержание основных ком­понентов следующее: глинозема (А1203) — 40 %; окиси кальция (СаО) — 40 %; окиси кремния (Si02) — 10 %; оксида (или закиси) железа —10 %. Камень из глиноземистого цемента обладает большой прочностью и водопроницаемостью по сравнению с портландцементом. Применение глиноземистого цемента для тампонирования скважин ограничено из — за отрицательного воздействия на него высокой температуры, в связи с чем рационально его использовать при температурах до 20—25 °С. Глиноземистый цемент является единственным из вяжущих тампо — нажных материалов устойчивым против сероводородной агрессии.

Гипсоглиноземистый цемент — продукт совместного помола высо­коглиноземистого шлака и двуводного гипса в соотношении 3:1.

При креплении нефтяных и газовых скважин чаще применяют смесь тампонажного портландцемента и гипсоглиноземистого в соотно­шениях 75—85 % : 25—15 %. Гипсоглиноземистый цемент выпускается в промышленном масштабе Пашийским цементным заводом. Цемен­тный камень из него устойчив при температуре до 60 °С к сульфат­ной агрессии, но неустойчив к воздействию сероводорода и солей магния.

Гипсовые вяжущие вещества получают путем термической обра­ботки гипсового камня. Природный сульфат кальция (гипс) содержит две молекулы воды на одну молекулу сульфата СаБ04 • 2Н20. При на­гревании он разлагается, теряя воду и образуя полугидрат Са804 • 0,5Н20. Различают строительный, формовочный, высокопрочный и высоко­обжиговый гипс. Плотность гипса 2,6—2,75 г/см3. Гипсовая суспензия затвердевает в результате присоединения воды к полугидрату с вто­ричным образованием двугидрата сульфата кальция:

2(Са804 • 0,5Н20) + ЗН20 = 2(Са804 • 2Н20).

Искусственный камень образуется переплетением микроскопиче­ских кристаллов двуводного гипса, имеющих форму игл. Вследствие сравнительно высокой растворимости сульфата кальция затвердевшие гипсовые вяжущие вещества размягчаются в воде и поэтому относят­ся к воздушным вяжущим веществам. Несмотря на этот недостаток, их применяют при цементировании скважин с добавлением веществ, замедляющих схватывание и повышающих водостойкость.

Скорость схватывания гипсовых вяжущих материалов возрастает при повышении температуры до 50 °С. При температуре более 80 °С гипсовый раствор не схватывается. Различают строительный, формо­вочный, высокопрочный и высокообжиговый гипсы. Плотность гипса 2,6-2,75 г/см3.

В последнее время для цементирования скважин с аномально высокими давлениями разработаны и изготовляются заводским спо­собом утяжеленные цементы, представляющие собой тщательно при­готовленную смесь вяжущего материала и утяжеляющей добавки.

Утяжеленный цемент для умеренно высоких температур (УЦГ) пред­назначен для цементирования скважин при температуре выше 100 °С. Вяжущей основой его служит портландцемент или тампонажный це­мент по ГОСТ 1581—85, утяжелителем — измельченная железная руда.

Последнюю используют в качестве утяжеляющей добавки вслед­ствие ее относительно высокой плотности, а также способности Ре203 образовывать высокопрочные ферритные и алюмоферритные гидро­гранаты, устойчивые в сульфатных водах.

Дозировка руды до 50 % позволяет получить утяжеленный раствор с плотностью 2060—2200 кг/м3, достаточной для создания противо­давления, превышающего пластовое. При этом прочность камня на изгиб составляет более 2,5 и при сжатии — 7 МПа, что достаточно для надежной изоляции пластов даже в условиях аномальновысокого пластового давления (АВПД).

С увеличением температуры твердения до 120—200 °С резко воз­растает прочность камня, достигая 22—38 МПа при сжатии и 5,8— 10,9 МПа при изгибе.

Добавка ССБ и хромпика пластифицирует цементный раствор, в результате чего обеспечивается снижение гидравлических сопротив­лений в процессе закачки раствора в скважину. Утяжеленные раство­ры имеют пониженное по сравнению с обычными цементами водосо — держание. Их, как правило, применяют с добавками пластификаторов.

Утяжеленные тампонажные цементно — и шлакобаритовые растворы. В некоторых случаях в качестве утяжеляющей добавки к цементам ис­пользуют немолотый магнетитовый песок. При отсутствии специаль­ного утяжеленного цемента заводского производства для утяжеления тампонажных растворов лучше использовать технический барит, чем немолотый магнетитовый песок. Смеси с баритом предназначены для цементирования нефтяных и газовых скважин с аномально высокими градиентами давлений —до 0,021 МПа/м при 20—200 °С. Для цемен­тирования скважин с забойными температурами 20—100 °С рекомен­дуются смеси цемент — барит с массовым соотношением от 2:1 до 1:1, а для скважин с температурой 100—200 °С шлак — барит с таким же соотношением. Смеси состава 2: 1 применяют для получения там — понажного раствора плотностью 2000—2100 кг/м3, а состава 1:1 — плотностью 2100—2180 кг/м3.

Смеси цемент —барит (2:1 и 1:1) имеют достаточную прочность камня при температуре 75 и 100 °С. Срок схватывания цементно­баритовых растворов регулируют добавками ССБ и хромпика или другими замедлителями.

Для цементирования высокотемпературных скважин с аномально высокими пластовыми давлениями в качестве вяжущих веществ мож­но использовать шлаки цветной металлургии, в частности, отходы выплавки свинца и меди. Последние обеспечивают высокую плот­ность шлака (3800—3900 кг/м3).

Для применения шлакового раствора при температуре ниже 200 °С необходимо ускорить его твердение. Эффективными ускорителями служат кальцинированная сода, гранулированный доменный шлак, портландцемент. Шлаковые растворы с указанными добавками могут быть использованы при температурах от 80 до 180—200 °С. Прочность шлакового камня на сжатие через 48 ч твердения достигает 20 МПа. Повысить ее при температуре 120—200 °С можно добавкой молотого кварцевого песка для модификации тампонажных материалов с целью доведения свойств базовых тампонажных цементов и приготовляемых из них растворов до соответствия с условиями их применения в сква­жине.

Цементно-кремнеземистые смеси являются термостойким тампо — нажным цементом, который получают в результате добавления тонко — измельченного (до полного прохождения через сито 0,074 мм) кварце­вого песка к обычному тампонажному цементу. Рекомендуется смеши­вать измельченный кварцевый песок с цементом в соотношении от 1 : 3 до 1:1. Измельченный кварцевый песок — добавка, которая сочетает­ся с большинством цементов и почти не влияет на другие свойства цементного раствора. Для сохранения седиментационной устойчиво­сти при неизменном водосодержании и быстрого химического взаимо­действия кварца с продуктами гидратации цемента необходима высо­кая степень дисперсности песка.

Шлако-песчаные цементы необходимы при больших температурах, когда скорость гидратации портландцемента излишне высока и это требует применения замедлителей. Поиски низко активных вяжущих веществ прежде всего имели своей целью получение медленносхваты — вающихся тампонажных цементов. Из числа низкоактивных вяжущих веществ для цементирования скважин в России наиболее широко используют доменные шлаки, в США — известково-пуццолановые вяжущие.

Отрицательной особенностью растворов на шлаковой основе яв­ляется их быстрое загустевание в присутствии небольших примесей портландцемента. Другим недостатком можно считать широкие пре­делы колебания состава шлаков и свойств цемента в различных партиях.

Расширяющиеся тампонажные цементы. Известны два способа при­дания цементному камню свойства расширения. Первый способ за­ключается в том, что в состав цементного раствора можно ввести вещества, образующие при химической реакции между собой или с веществами цементного раствора газообразные продукты. Увеличе­ние количества газа (а также повышение температуры) вызывает рас­ширение пузырьков газа и возникновение собственных напряжений. Этот способ широко используют для цементов, твердеющих на по­верхности, однако при применении тампонажных растворов на боль­шой глубине расширению пузырьков газа, как правило, препятствует гидростатическое давление. Исключение составляют некоторые случаи цементирования зон поглощений, где такое расширение возможно.

Второй способ — введение веществ (расширяющих добавок), кото­рые при химической реакции между собой или с другими веществами цементного раствора образуют кристаллические продукты. Рост крис­таллов этих веществ в порах цементного камня является причиной появления собственных напряжений, вызываемых кристаллизацион­ным давлением. На ранней стадии твердения цементный камень имеет открытую пористость, поэтому гидростатическое давление не препят­ствует деформации среды и существенно не влияет на расширение. Собственные напряжения в этом случае компенсируются кинетикой развития и кристаллизационным давлением и определяются выбором расширяющей добавки применительно к свойствам цемента и усло­виям твердения.

На практике применяют различные виды расширяющихся цемен­тов, главным образом на сульфоалюминатной основе. Известны водо­непроницаемый расширяющийся цемент (ВРЦ) и напрягающий це­мент (НЦ). ВРЦ изготовляют путем смешения или совместного помо­ла глиноземистого цемента (68—71 %), полуводного гипса (20—22 %) и высокоосновного гидроалюмината кальция 4СаО • А12Оэ • 13Н20 (10— И %). Высокоосновный гидроалюминат находится в продукте, по­лучаемом из смеси глиноземистого цемента с гидратной известью. НЦ изготовляют путем тонкого совместного помола портландцемен — тного клинкера, глиноземистого шлама (или глиноземистого цемента) и гипсового камня в соотношении 70: 15 : 15.

Известен расширяющийся цемент на основе портландцемента. В его состав входят 60—65 % портландцемента, 5—7 % глиноземистого це­мента, 7—10 % двухводного гипса, 20—25 % гидравлической добавки. Расширение образцов при твердении в воде в течение суток состав­ляет 0,15%, а через 28 сут — до 0,3—1%. Начало схватывания без специальной корректировки наступает через 30 мин.

Тампонажный цемент с добавками магнезита и доломита пред­ставляет собой смесь тампонажного портландцемента с магнезитом (МяСОз) или доломитом (СаС03 • М§СО,), обожженными при темпе­ратуре 700—900 °С. Добавки к цементам обожженных магнезита и до­ломита соответственно 5—10 и 10—20% обеспечивают расширение цементного камня в течение 48 ч до 0,5 % за счет гидратации оксидов МбО и смеси МяО + СаО в цементном камне.

Расширяющиеся тампонажные цементы с большой степенью рас­ширения получают введением добавок молотых негашеной извести и периклаза, обожженных при определенных температурах.

Для расширения в пределах 16—20 % от момента затворения необ­ходимо на 100 массовых долей портландцемента ввести 10—20 массо­вых долей молотой негашеной извести, количество которой зависит от сроков схватывания исходного портландцемента, ее активности и ско­рости гашения, а также от условий применения цемента.

При температурах выше 160 °С расширяющей добавкой может слу­жить оксид магния, обожженный при высоких температурах (1500—1600 °С). В качестве вяжущей основы для высокотемпературных расширяю­щихся тампонажных цементов необходимо применять температуро­стойкие медленносхватывающиеся цементы: шлакопесчаный цемент, БКЦ или цемент на основе саморассыпающегося шлака от производ­ства рафинированного флюсового феррохрома.

Комментарии запрещены.