Составы тампонажных смесей и условия их применения
Составы и свойства тампонажных смесей выбирают в зависимости от их назначения, в соответствии с которым должны предъявляться требования к выбранной тампонажной смеси и получающемуся при твердении тампонажному камню.
Для цементирования обсадных колонн и разобщения проницаемых пластов основными требованиями являются: подвижность тампонажного раствора, хорошее вытеснение из ствола скважины и из затрубного пространства промывочной жидкости и тампонажного камня, его хорошая адгезия с поверхностью обсадных труб.
При создании мостов, разделительных пробок и искусственных забоев важнейшими требованиями являются прочность тампонажного камня и высокая скорость твердения.
При выполнении тампонажных работ с целью устранения поглощения промывочной жидкости тампонажные смеси должны отвечать следующим требованиям: иметь достаточное проникновение в поглощающие каналы и трещины, устойчивость к агрессии подземных вод, достаточно высокую скорость потери подвижности — схватывание, хорошую адгезию с горными породами.
Наиболее часто применяемые виды тампонажных смесей, их параметры и условия применения приведены в табл. 10.2.
Облегченные тампонажные цементы и растворы применяют для уменьшения плотности тампонажного раствора. Плотность можно также уменьшать за счет увеличения содержания жидкости затворе- ния по отношению к твердой фазе, если жидкость затворения имеет меньшую плотность, или путем замены:
У части или всей жидкости затворения жидкостью меньшей плотности;
✓" всего или части вяжущего вещества вяжущим веществом меньшей плотности;
■/ всей или части добавки добавкой меньшей плотности;
✓" части вяжущего вещества специальной добавкой, обладающей меньшей по сравнению с ним плотностью;
✓" части объема твердых и (или) жидких фаз газообразной фазой. Более высокая прочность получается при снижении плотности путем введения воздуха. Существенный недостаток аэрированных тампонажных растворов —их сжимаемость. На большой глубине или при высоком гидростатическом давлении объем аэрированного тампонажного раствора существенно уменьшится, а плотность повысится. Этот недостаток можно устранить, заключив пузырьки воздуха в прочные оболочки.
В последнее время применяют пластмассовые, стеклянные, керамические, кварцевые микробаллоны (микрокапсулы). Для эффективного снижения плотности с сохранением высокой прочности необходимо, чтобы микробаллоны имели плотность не более 600 кг/м3.
Таким образом, для снижения плотности до 1650—1700 кг/м3 можно использовать все известные способы, до 1400—1500 кг/м3 — облегчающие добавки плотностью менее 2000 кг/м3, повышать водосодержание, а на небольших глубинах использовать аэрирование тампонажного раствора. Ниже 1400 кг/м3 желательно использовать полые или газонаполненные микробаллоны.
Гельцементные растворы — это растворы, содержащие в качестве облегчающей добавки высококоллоидальные, главным образом монт — мориллонитовые (бентонитовые) глины плотностью 2300—2600 кг/м3 и введенные в количестве, составляющем до 20 % от массы твердой фазы. Поэтому снижение плотности за счет введения менее плотного компонента твердой фазы невелико и достигается в основном за счет значительного увеличения водосодержания гельцементных растворов по сравнению с обычными. Добавка к тампонажному цементу 5—6 % высококачественного бентонита позволяет приготовить седиментаци — онно-устойчивые растворы с В/Т = 0,7—0,75, имеющие плотность 1600— 1700 кг/м3. Введение 20—25 % бентонита позволяет применять В/Т = = 1,3—1,5 и получать плотность растворов 1300—1400 кг/м3.
Сроки схватывания, |
|||||||
Тип |
Состав |
в/ц |
ч-мин |
Плотность, |
Основные свойства |
Назначение |
|
смесей |
начало |
оконча |
т/м3 |
(характеристика) |
|||
ние |
|||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
Тампонажные растворы на основе минеральных вяжущих |
|||||||
Базовый |
Тампонажный портландцемент ПЦТ (ГОСТ 1581-85) |
0,5 |
2-00 |
10-00 |
1,8-1,9 |
Хорошая текучесть и прокачиваемость |
Для пористых и мелкотрещиноватых пород с малой и средней интенсивностью поглощения; в качестве базового для тампонажных смесей |
Облег |
ПЦТ — до 40 %; |
0,95-1,2 |
2-00 |
18-00 |
1,4-1,6 |
Малая водоотдача, |
Для малых пластовых дав |
ченные |
диатомит, трепел, опока — до 45 %; доменный шлак — до 20 % |
хорошие закупоривающие свойства |
лений и уменьшения поглощения раствора |
||||
Утяже |
ПЦТ-до 20%; |
0,33-0,35 |
2-00 |
12-00 |
1,95-2,3 |
Прочный камень, |
Для высоких пластовых |
ленные |
гематит, барит — до 75 %; доменный шлак — до 20 % |
малая проницаемость, упругость |
давлений |
||||
Соляные |
ПЦТ, затворенный |
0,5 |
0-50 … |
3-50 … |
1,95-2,0 |
Хорошая прокачи |
Для соленосных отложе |
на насыщенном растворе |
1-50 |
1-50 |
ваемость, сцепляе- |
ний, агрессивных подзем |
|||
солей, %: |
мость с породой |
ных вод |
|||||
ШС1 — 26,4, |
и трубами, |
||||||
Ї^СІ — 36,0, |
совместимость |
||||||
СаС12 — 42,3, |
с другими реагентами |
||||||
Ыа2804 — 14,4 |
|||||||
Песча |
ПЦТ — до 50 %; |
0,8 |
9-00 |
10-00 |
1,85 |
Прочный непрони |
То же |
нистые |
кварцевый песок — до 50 % |
цаемый камень, коррозионностойкий |
|||||
Волок |
ПЦТ с наполнителями — |
0,5 |
2-00 |
10-00 |
1,8 |
Повышенная |
Уменьшение поглощения |
нистые |
до 3 % (хлопковые отходы, волокна асбеста, отходы кордного волокна и др.) |
вязкость |
в кавернозных породах с интенсивным поглощением |
Продолжение табл. 10.2
|
оо |
Для зон интенсивных поглощений, приуроченных к крупнотрещиноватым и кавернозным породам |
Г— |
Нетвердеющая, нерастекаемая, но прокачиваемая масса с пластической прочностью 32 кПа через 1 ч перемешивания; скорость восстановления структуры через 1 сут твердения —* 0,26 кПа/мин |
■о |
1,76-1,62 |
1Л> |
|
■*1- |
|
т |
|
сч |
ПЦТ — 100 кг; бентонит — 200—500 кг; сульфат алюминия — 30—60 кг; вода — 0,75—1,25 м3 |
— |
Глиноцементная паста |
Продолжение табл. 10.2 |
Недостатком гельцементных растворов пониженной плотности является низкая температурная и коррозионная устойчивость цементного камня.
Цементные растворы с кремнеземистыми облегчающими добавками.
Высокая водопотребность пуццолановых цементов на основе диатомита явилась основой использования их для приготовления тампо — нажных цементных растворов пониженной плотности.
Диатомиты представляют собой осадочные породы, состоящие из панцирей микроскопических диатомитовых водорослей. В 1 см3 диатомита может содержаться до 30 млн панцирей (киссатибский диатомит), вследствие чего диатомитовый порошок имеет большую удельную поверхность, что делает возможным введение в диатомито-цементный раствор большого количества воды без потери седиментационной устойчивости системы.
Тампонажные смеси на основе торфа и сапропеля имеют высокую структурирующую способность, представляющую огромный интерес для приготовления различных реагентов, буровых и тампонажных растворов, буферных жидкостей и эмульсионных составов, так как содержат такие ценные компаненты, как ПАВ, гемицеллюлозу, углеводные и белковые вещества, битумы и глины.
При воздействии на торф и сапропель слабых щелочей и кислот значительно активизируется поверхность их частиц, что приводит к улучшению структурно-реологических и технологических свойств дисперсии. Различие в групповом составе органического вещества и химическом составе минеральных компонентов позволяет получить эффективные тампонажные растворы для сложных геолого-технических условий бурения.
Исследования показали, что торф и сапропель являются эффективными материалами для облегчения тампонажных смесей. Использование торфа в качестве облегчающей добавки позволяет в 2—3 раза сократить расход цемента при цементировании колонны в глубоких скважинах. Кроме того, эти растворы при плотности 1,35—1,4 г/см3 обладают минимальной водоотдачей. В качестве добавок, ускоряющих скорость твердения, используют хлористый кальций, хлористый алюминий и т. п. Расход торфа составляет от 2,5 до 15 % от массы цемента. Получаемые цементно-торфяные смеси седиментационно устойчивы и имеют меньшую водоотдачу по отношению к чисто цементным.
Тампонажные смеси на основе синтетических смол позволяют создать ряд недефицитных высокомолекулярных соединений и на их основе разработать быстросхватывающиеся смеси (БСС) с регулируемыми сроками твердения. Для тампонирования осложненных интервалов разведочных скважин наибольшее распространение получили следующие химические соединения: акриловые и метакриловые кислоты и их производные; карбамидные, фенолоформальдегидные и эпоксидные смолы; синтетические латексы.
Известно, что акриламид легко растворим в воде, метиловом и этиленовом спиртах, ацетоне. Для изоляции трещиноватых интервалов
скважин рекомендуется применять такой состав двухрастворной смеси (вес. ч.): водный раствор акриламида концентрации 20—35 % — 100, метилен бисакриламида — 0,1— 0,4, персульфата аммония — 0,05 и гидросульфита натрия — 0,014.
К карбамидным смолам, получившим наибольшее применение при проведении буровых работ, относятся смолы МФ-17, М-270, М-19-62. В качестве недорогого и эффективного их отвердителя применяют соляную кислоту. Существенным недостатком всех карбамидных смол является необходимость применения кислот в качестве отвердителя, что отрицательно сказывается на результатах тампонирования карбонатных пород, так как при взаимодействии с кислотами карбонаты разлагаются, что приводит к снижению прочности и повышению проницаемости пород.
Формальдегидные смолы обладают способностью отверждаться как в кислой, так и щелочной средах. Наибольший интерес из смол этой группы представляет резорцинформальдегидная смола ФР-12, в качестве отвердителя которой может быть использован формалин, но ввиду дефицитности и высокой стоимости ФР-12 не получила широкого применения в бурении. На основе дешевых сланцевых фенолов ФРЭС и ТСД-9 созданы тампонажные смеси для закрепления слабосцементированных пород. Эти БСС обладают малыми сроками схватывания (1—3 мин) и большей проникающей способностью. Время отверждения раствора регулируется количеством введенного отвердителя (формалина) и катализатора (кальцинированной соды), причем значительное влияние на сроки схватывания оказывают степень разбавления смеси водой и температура среды, что при наличии водопритоков в скважине отрицательно сказывается на качестве тампонирования.
Эпоксидные смолы в сравнении с карбамидными и фенолофор- мальдегидными обладают рядом преимуществ, заключающихся в том, что тампонажный камень из эпоксидных смол имеет повышенные прочностные и адгезионные свойства. Эпоксидные смолы марок ЭД-5 и ЭД-6 получают путем поликонденсации эпихлоргидрина глицерина и дефенолов в присутствии щелочи. На основе этих смол созданы тампонажные смеси со сроками отверждения от 5 до 60 мин. В качестве отверждающих веществ применяют полиамины, полиамиды, жирные кислоты, фенольные и карбамидные смолы. В состав смеси входят различные реагенты: разбавители, пластификаторы, ускорители и др.
Нетвердеющие составы на основе синтетических смол называют вязкоупругими растворами (ВУР). Один из составов представляет собой водную смесь полиакриламида, водорастворимых синтетических смол и технического формалина. Содержание полиакриламида в исходном водном растворе составляет 0,5—1 %, водного раствора гексарезорци — новой смолы 1—2 %-й концентрации — 10—15 % и водного раствора формалина 40 %-й концентрации — 1—2 %.
Вязкоупругие составы применяют при борьбе с поглощениями, а также для повторного тампонирования. С целью повышения эффективности в них можно вводить наполнители.
Тампонажные растворы на основе латексов получают при смешивании латекса с водным раствором хлористого кальция примерно в равных объемах. Наиболее распространенная концентрация хлористого кальция 3—5 %. Процесс коагуляции сопровождается резким ростом вязкости продукта, поэтому латексные растворы получают преимущественно в скважине в зоне поглощения.
Тампонажные смеси на основе лигносульфонатов получают при обработке лигносульфонатов солями поливалентных металлов и образуют гель со свойствами, характерными для твердого тела. Наиболее распространенные лигносульфонаты в таких смесях — сульфитспир — товая барда (ССБ) и сульфитдрожевая бражка (СДБ), коагулянты — бихроматы (натрия, калия, аммония) и другие соли хрома.
Время образования геля зависит от концентрации ССБ и количества соли хрома: чем выше концентрация ССБ, тем меньшее количество соли хрома необходимо для образования геля. Тампонажные смеси на основе лигносульфонатов применяют для борьбы с поглощениями промывочной жидкости.
Битумные тампонажные смеси представляют собой расплавленный битум с различного рода добавками и наполнителями. Введение наполнителей (песка, глин, цемента) в битум уменьшает растекае — мость смеси по поглощающим каналам, сокращает ее расход, улучшает разбуриваемость битумной пробки.
Количество добавки наполнителя в битумную смесь подбирают в зависимости от величины каналов поглощения. Так, при наличии в зоне поглощения крупных трещин и каверн следует вводить до 50 % наполнителей. Глину и цемент вводят с эмульгаторами и пластификаторами. Тогда массу наполнителей можно увеличить до 100 % от массы битума. В качестве эмульгатора можно применять кальцинированную или каустическую соду, пластификатором могут быть соляровое масло или керосин. Масса эмульгатора должна составлять 2 %, а пластификатора — 5 % от массы битума.
Основные недостатки тампонажных смесей из органических веществ — их токсичность, высокая стоимость, необходимость строгой Дозировки компонентов, низкая технологичность. Они плохо смываются с бурового оборудования и инструмента, должны храниться в специальной таре, требуют тщательного перемешивания и осторожного обращения. Влияние этих недостатков снижают, комбинируя органические и неорганические компоненты.
Полимерцементные смеси обладают хорошей изолирующей способностью, повышенной коррозийной стойкостью, устойчивостью к разбавлению подземными водами.
Наиболее широко применяются полиакриламидцементные растворы (пасты). Их получают смешиванием цементного раствора, приготовленного на водном растворе полиакриламида, с цементной суспензией, для которой используют водный раствор хлористого кальция.
Смеси сухого цемента в массовых частях состоят из тампонажного Цемента—100; полиакриламида — 0,14—0,2; СаС1 — 2,5—5; воды —60.
Полиакриламид используют в виде водного раствора 3 %-й концентрации, гипан — примерно в такой же концентрации.
Широко применяют метасоцементные пасты, которые представляют собой смесь водного раствора метаса 10—15 %-й концентрации с цементной суспензией (В/Ц = 0,4—0,5), приготовленной на водном растворе хлористого кальция с содержанием последнего 5—6 %. Так как метас растворяется только в водно-щелочном растворе, состав содержит кальцинированную соду в количестве 0,3—0,5 мае. ч. метаса. Примерное соотношение компонентов следующее (в % по массе от сухого цемента): цемент — 100, метас — 0,5—1, кальцинированная сода —
0, 17—0,33, хлористый кальций — 5—18, вода —40—50.
Полимерцементные смеси могут иметь и более сложный состав и содержать комбинацию смол. Здесь каждый компонент придает смеси или тампонажному камню новое качество или усиливает нужные свойства.
Цементно-латексные растворы представляют собой смесь цемента, воды, латекса, антивспенивателя, а также солей (чаще №С1), которыми регулируют реологические свойства смесей. Добавки латекса составляют 1—2 %, соли — 2—3 %. Латекс можно впрыскивать в процессе закачки цементного раствора, затворенного на водном растворе хлористого кальция. Такой состав используют при изоляции поглощающих горизонтов.
Все полимерцементные растворы могут содержать наполнители, в качестве которых чаще применяется песок, реже глина, при добавке глины получают смеси пониженной плотности. Полимерцементные смеси применяют главным образом для борьбы с поглощениями и установки мостов в скважинах.
Отверждаемые глинистые растворы (ОГР) получают введением в глинистый раствор сланцевых фенолформальдегидных смол ТСД-9 или ТС-10 с отвердителями. В качестве отвердителей применяют водные растворы формальдегида (формалин), параформ, минеральные кислоты. В процессе смешивания состава в среде глинистого раствора при реакции поликонденсации формируется полимерная пространственная сетка, в которой глинистый раствор играет роль наполнителя. После отверждения состав дает довольно прочный камень.
Смолу вводят в количестве 25—30 % от объема раствора, формалин — до 50 % от объема смолы. Соотношение компонентов в растворе следующее: смола — 20—30 %, формалин — 10—20 %, глинистый раствор — 50—70 %. Рекомендуемая плотность глинистого исходного раствора — 1,18—1,2 г/см3, статическое напряжение сдвига —4—6 Па. С увеличением плотности раствора прочность тампонажного камня возрастает. Отделение фильтрата превышает водоотдачу исходного раствора на 30—60 %, однако фильтрат поликонденсируется в твердую пластмассу. Скорость реакции поликонденсации зависит от соотношения компонентов и температуры, но в большей мере от содержания глинистой составляющей и температуры. Имеет значение и показатель pH среды.
Усложнение геолого-технических условий проходки скважин, а также совершенствование техники и технологии их бурения и крепления повышают уровень требований к тампонажным материалам и приготовляемым из них растворам. Это вызывает необходимость целенаправленного изменения свойств цементных растворов путем обработки их химическими реагентами.
К параметрам тампонажных систем, количественное изменение которых часто вызывается потребностью технологии или особенностями скважинных условий, относят время загустевания, или сроки схватывания, реологические свойства, седиментационную устойчивость — для тампонажных растворов; механическую прочность, проницаемость, коррозионную устойчивость — для тампонажного камня.
Как правило, реагенты и материалы, вводимые в тампонажные системы, оказывают комплексное воздействие и изменяют одновременно несколько параметров. Некоторые реагенты при одних условиях изменяют свойства тампонажных систем в одном направлении, а при других — влияние тех же реагентов может быть противоположным. Кроме того, один и тот же реагент при различных дозировках может вызывать прямо противоположные воздействия.
Все применяемые при тампонировании скважин химические реагенты по эффекту действия подразделяют:
✓ на ускорители схватывания и твердения: хлориды кальция, натрия, калия и алюминия, сульфаты натрия и калия, углекислые калий и натрий, едкий натр, кремнекислые натрий и калий (жидкое стекло), нитраты натрия и кальция, нитрит кальция, нитрит-хлорид кальция, нитрат кальция с мочевиной, мочевина, нитрит-сульфат натрия, сульфаниловая кислота, триэтаноламин, нитрат натрия, мелассы;
✓ замедлители схватывания и твердения: винная кислота и ее соли, борная кислота, хромпик, гипан, окзил, КССБ, СДБ, ФХЛС, ПФЛХ, сульфированный нитролигнин, карбоксиметилцеллюлоза, гексаметафосфат и нитрофосфат, КДБ, ПАД-3;
✓ пластификаторы (разжижители): С-3, 10-03, СДБ, КССБ, ПАЩ, ВЛХК, этилсиликонат натрия, метилсиликонат натрия, СПД, мылонафт, НЧК, ПФЛХ, ФХЛС, сульфированный нитролигнин, нитролигнин, окзил, синтан-5 и синтан ПЛ, Д-4 и Д-12, гексаметафосфат и нитрофосфат, ВРП, ГИФ-1, хромпик, высокомолекулярный поли — винилпирролидон;
✓ понизители водоотдачи: гипан, СДБ, КССБ, ПФЛХ, ФХЛС, карбоксиметилцеллюлоза, полиоксиэтилен, бентонитовая глина, сульфированный нитролигнин, поливиниловый спирт, метас, полиакриламид, К-4, метилцеллюлоза, оксиэтилцеллюлоза, декстрин, модифицированный крахмал;
✓ пеногасители: НЧК, окисленный нитролатум, соапсток, ЖЖГ, РС, кальциевый мылонафт, флотомасло, полиметилсилоксан, скруб — берный конденсат, Т-66, стеарокс-6, АГ-2, АГ-3, НГВ-1, полиамид, стеарат алюминия, ПЭС, СЖП-50, СЖК, ВМС, ВМС-12, П-79, сивушное масло, карболениум.
Ускорители схватывания и твердения вводят в тампонажные растворы с целью сокращения времени ожидания затвердевания цемента.
Повышение содержания в тампонажном растворе каустической соды, поташа, кальцинированной соды, хлоридов натрия, калия и кальция до 3 % приводит к снижению прочности цементного камня после длительного твердения. При содержании хлорида натрия больше 5 %, а углекислого натрия меньше 1 % замедляются скорости схватывания и твердения. Введение более 2 % хлоридов вызывает коррозию труб. Для ее уменьшения при повышенных концентрациях хлоридов рекомендуется одновременно вводить нитриты, нитраты и хроматы натрия, калия и кальция. Сульфаты натрия и калия вызывают коррозию при введении их более 6 %. С целью предотвращения коррозии труб рекомендуется при цементировании скважин в условиях положительных температур использовать ингибирующие или органические электролиты. Необходимо учитывать, что при введении кальцинированной соды в тампонажные растворы с большими дозами хлоридов, а также при тампонировании скважин с выделением сильно минерализованных вод может резко снизиться подвижность растворов.
При значительном ускорении процессов твердения вследствие применения ускорителей, как правило, существенно уменьшаются прочность и морозостойкость цементного камня. Необходимость введения последних определяется экспериментально. При назначении ускорителей необходимо учитывать, что некоторые из них при повышении или понижении температуры становятся замедлителями (например, мочевина). Такое же влияние может оказывать и концентрация реагента.
Замедлители схватывания и твердения в большинстве своем являются не только замедлителями твердения, но и влияют на реологические и фильтрационные свойства тампонажных растворов, что необходимо учитывать при их выборе.
Хромпик применяют, как правило, совместно с такими замедлителями схватывания и понизителями водоотдачи, как СДБ, гипан, КМЦ, окзил, метас, СВК. Замедлители на основе гидролизованных соединений акриловой кислоты (гипан, К-4) при введении в портландцемен — тные тампонажные растворы необходимо стабилизировать с целью предотвращения коагуляции замедлителями растворения кальциевых солей, например кальцинированной содой. Для шлаковых цементов стабилизаторы не требуются.
При назначении замедлителей следует учитывать их совместимость с солевой средой тампонажного раствора, а также возможность потери или инверсии свойств при повышении или понижении температуры (например, фосфаты, мочевина).
Регуляторы реологических свойств тампонажных растворов вводят с целью регулирования реологических характеристик тампонажных растворов (увеличения или уменьшения вязкости и предельного напряжения сдвига).
При назначении регуляторов реологических свойств надо учитывать, что многие из них влияют на процессы гидратационного твер
дения в сторону их ускорения или замедления. Такие реагенты, как СДБ, КССБ, ГИФ-1, ПФЛХ, ВЛХК, СПД, ПАЩ-1, ВРП-1, Д-4, Д-12, ЦНИПС-1, мылонафт, вызывают сильное пенообразование при приготовлении раствора, поэтому их рекомендуется применять с пено — гасителями. Для повышения пластифицирующего действия реагента, как правило, увеличивают его дозировку.
В качестве регуляторов реологических свойств используют как химические реагенты, так и наполнители: глины, песок, трепел и др. Наиболее часто вместе с химическими реагентами применяют бентонитовую глину. Оптимальное соотношение вяжущего, наполнителя и химического реагента подбирают экспериментально.
Пеногасители — это в большинстве случаев растворы реагентов в дизельном топливе. При определении необходимости применения того или иного пеногасителя следует учитывать его возможную реакцию с тампо — нажным раствором и влияние на свойства последнего: например, окисленный петролатум в присутствии солей кальция коагулирует, и поэтому для стабилизации в тампонажные растворы вводят кальцинированную соду. Оптимальное количество реагентов устанавливается экспериментально.