Тампонажные материалы и оборудование для цементирования скважин
Тампонажные материалы при затворении водой образуют суспензии, способные затем превращаться в твердый непроницаемый камень.
В зависимости от вида вяжущего материала тампонажные цементы образуются на основе:
• портландцемента;
• доменных шлаков;
• известково-песчаных смесей;
• прочих материалов (белитовых и др.).
Для цементирования скважин применяют только тампонажные цементы на основе портландцемента и доменных шлаков.
К цементным растворам предъявляют следующие основные требования:
• подвижность раствора должна быть такой, чтобы его можно было закачивать в скважину насосами, и она должна сохраняться от момента приготовления раствора (затворения) до окончания процесса продавливания;
• структурообразование раствора, т. е. загустение и схватывание после продавливания его за обсадную колонну, должно проходить быстро;
• цементный раствор на стадиях загустения и схватывания и сформировавшийся камень должны быть непроницаемы для воды, нефти и газа;
• цементный камень, образующийся из цементного раствора, должен быть коррозионно — и температуроустойчивым, а его контакты с колонной и стенками скважины не должны нарушаться под действием нагрузок и перепадов давления, возникающих в обсадной колонне при различных технологических операциях.
К важнейшим свойствам цементного раствора относятся водо — содержание (водоцементное отношение), водоотдача, плотность, подвижность (растекаемость), сроки схватывания, время загустения, седиментационная устойчивость (способность частиц цементного раствора не оседать в жидкости затворения под действием сил тяжести), структурная вязкость, механическая прочность, проницаемость, объемные изменения, коррозионная устойчивость и некоторые другие.
В зависимости от добавки тампонажные цементы и их растворы подразделяют на песчаные, волокнистые, гельцементные, пуц — цолановые, сульфатостойкие, расширяющиеся, облегченные с низкой водоотдачей, водоэмульсионные, нефтецементные и др. Номенклатура тампонажных цементов на основе портландцемента и шлака содержит:
• тампонажные портландцементы для «холодных» и «горячих* скважин («холодный» цемент — для скважин с температурой до 50 °С; «горячий» цемент — для скважин с температурой до Ю0°С; плотность раствора — 1,88 г/см3);
• облегченные цементы для получения растворов плотностью
1,4.. . 1,6 г/см3 на базе тампонажных портландцементов, а также на основе шлакопесчаной смеси (до температуры 90… 140’С); в качестве облегчающих добавок используют глинопорошки или молотые пемзу, трепел, опоку и др.;
• утяжеленные цементы для получения растворов плотностью не менее 2,15 г/см3 на базе тампонажных порт^ндцементов для температур, соответствующих «холодным» и «горячим» цементам, а также шлакопесчаной смеси для температуры 90… 140 “С. В качестве утяжеляющих добавок используют магнетит, барит др.;
• термостойкие шлакопесчаные цементы для скважин с температурами 90… 140 и 140… 180°С;
• низкогигроскопические тампонажные цементы, предназначенные для длительного хранения.
Регулируют свойства цементных растворов путем изменения водоцементного отношения (В:Ц), а также путем добавления различных химических реагентов, ускоряющих или замедляющих сроки схватывания и твердения, снижающих вязкость и показатель фильтрации.
На практике в большинстве случаев применяют цементный раствор с отношением В: Ц = 0,4…0,5. Нижний предел отношения В: Ц ограничивается текучестью цементного камня и удлинением срока схватывания. К ускорителям относятся хлористые кальций, калий и натрий; жидкое стекло (силикаты натрия и калия); кальцинированная сода; хлористый алюминий. Эти реагенты обеспечивают схватывание цементного раствора при отрицательных температурах и ускоряют схватывание при низких температурах (до 40 °С).,
Замедляют схватывание цементного раствора такие химические реагенты, как гидролизованный полиакрилонитрил, карбоксиме — тилцеллюлоза, полиакриламид, сульфитоспиртовая барда, концентрированная сульфинспиртовая барда, нитролигнин. Перечисленные реагенты оказывают комбинированное действие. Все они понижают водоотдачу и одновременно могут увеличивать или уменьшать подвижность цементного раствора.
Для приготовления цементного раствора химические реагенты растворяют предварительно в жидкости затворения (воде). Утяже — ляюшие, облегчающие и повышающие температуростойкость добавки смешивают с вяжущим веществом в процессе производства (специальные цементы) или перед применением в условиях бурового предприятия (сухие цементные смеси). От правильного выбора тампонажного цемента и при необходимости добавок к нему зависит качество строящейся скважины, поэтому выбор рецептуры тампонажного раствора следует проводить только на основании тщательных лабораторных исследований. Особое внимание следует уделять смешиванию цемента с добавками.
К оборудованию, необходимому для цементирования скважин, относятся цементировочные агрегаты, цементосмесительные машины, цементировочная головка, заливочные (разделительные) пробки и другое мелкое оборудование (краны высокого давления, устройства для распределения раствора, гибкие металлические шланги и т. д.).
При помощи цементировочного агрегата производят затворе — ние цемента (если не используется иементосмесительная машина), закачивают цементный раствор в скважину, продавливают цементный раствор в затрубное пространство (рис. 11.16). Кроме того, цементировочные агрегаты используются и для других ра-
|
Рис. 11.16. Схема действия цементировочного агрегата при затворении и закачке цементировочного раствора: |
I — замерный бак; 2 — цементный насос; 3 — коробка отбора мощности; 4 — коробка передачи автомобиля; 5 — двигатель; б — ротационный насос; 7— ие — ментосмеситель: # — цементный бачок
бот (установки цементных мостов, нефтяных ванн; испытания колонн на герметичность и др.).
Учитывая характер работ, цементировочные агрегаты изготавливают передвижными с монтажом всего необходимого оборудования на грузовой автомашине. На открытой платформе автомашины смонтированы: поршневой насос высокого давления для прокачки цементного раствора в колонну обсадных труб; ротационный насос, которым подают воду в цементную мешалку во время приготовления цементного раствора; замерные баки, при помощи которых определяют количество жидкости, закачиваемой в колонну для продавки цементного раствора; двигательдля привода насоса.
Для цементирования обсадных колонн в отечественной практике применяют цементировочные агрегаты (ЦА) различных типов: ЦА 320А, ЦА 320С; ЗЦА 400А; УН Б 2-630-50; УНБ-2-160; УНБ2-400-40. Они отличаются друг от друга прежде всего гидравлической мощностью насосов. Для централизованной обвязки цементировочных агрегатов с устьем скважины Применяют блок манифольдов, который состоит из коллектора высокого давления для соединения ЦАс устьем скважины и коллектора низкого давления для распределения воды и продавочной жидкости, подава-
|
Рис. 11.17. Агрегат смесительный АСМ-25: I — шасси несущего автомобиля; 2 — редуктор; 3 — сальниковое уплотнение валов мешалок; 4 — коробка раздаточная цепная; 5 — загрузочный шнековый транспортер; 6 — редуктор загрузочного шнекового транспортера; 7 — смотровой люк; 8 — моечный люк; 9 — указатель уровня; 10 — заливочный трубопро^ вод; 11 — вал мешалки; 12 — резервуар; 13 — выносная опора; 14 — шламовый люк; 15 — лонный клапан; 16 — патрубок для соединения с приемным манифоль — дом ЦА; 17— коробка раздаточная цепная; 18 — коробка отбора мощностей |
|
Рис. 11.18. Головка цементировочная устьевая: / — крышка; 2 — накидная гайка; 3 — пробковый кран; 4 — цементировочная пробка: 5 — стопорный винт; 6 — элементы обвязки; 7— корпус |
емой к ЦА. Блок манифольдов, как правило, оборудован грузоподъемным устройством.
При цементировании скважин для приготовления тампонаж — ных растворов применяют цементосмесительные сашины, снабженные смесительными устройствами гидровакуумного типа. Выпускаются агрегат смесительный ЗАС-ЗО, установка цементосмесительная УС630, изготавливаемый по индивидуальным заказам агрегат смесительный АСМ-25 (рис. 11.17).
Цементировочные головки предназначены для промывки скважины и проведения цементирования. Спущенная обсадная колонна оборудуется специальной цементировочной головкой, к которой присоединяются нагнетательные трубопроводы (манифоль — ды) от цементировочных агрегатов.
Применяются цементировочные головки ГЦУ-140-146; ГЦУ — 16в; ГЦУ-245; ГЦУ-243; ГЦУ-324; ГЦУ-340. Конструкция головки Цементировочной устьевой (ГЦУ) (рис. 11.18) рассчитана на мак-
Рис. 11.19. Цементировочные пробки:
|
а 6 в |
а — нижняя самсу плотня ющаяся с металлическим остовом; 6 — верхняя; в — самоуплотняющаяся резиновая
симальное давление 40 МПа. Диаметр обвязываемых колонн этими головками составляет от 140 до 340 мм. Головка состоит из корпуса 7; крышки / с разделительным устройством, трехходовым краном и манометром; двух стопорных винтов 5; пробковых кранов 3′, цементировочной пробки 4 элемент^ обвязки 6 и накидной гайки 2. Корпус головки имеет семь отводов, к четырем из которых, расположенным в нижней части, присоединены угловые трехходовые пробковые краны, а к верхнему боковому — проходной пробковый кран. В остальные два отвода ввинчены стопоры для поддержания цементировочной пробки.
Заливочиые (разделительные) пробки предназначены для отделения бурового раствора и продавочной жидкости от цементного раствора при цементировании обсадных колонн и получения сигнала об окончании иродавки цементного раствора. При двухступенчатом цементировании используются специальные цементировочные пробки (рис. 11.19).