Главная → Статьи

Тампонажный цемент

Тампонажным цементом называется портландцемент (обыкновенный или его разновидность), пригодный для цементации нефтяных скважин.

Он имеет состав обычного портландцемента, как показывает следующая выдержка, взятая из стандарта 10-А Американского нефтяного института на тампонажный цемент:

«Определение. Цемент, соответствующий настоящим техническим условиям, представляет собой продукт помола клинкера, состоящего в основном из гидравлических силикатов кальция, к которому не разрешается добавлять при помоле или после него никаких веществ, кроме соответствующих добавок для регулирования схватывания.

Добавкой, регулирующей схватывание, может быть вещество, не оказывающее вредного действия на долговечность цемента и не вызывающее падения прочности после первого дня твердения».

Тампонажные цементы делятся на два вида:
1) цементы нормального схватывания и 2) цементы замедленного схватывания. К первому виду относятся три класса цементов, охватываемых стандартом АСТМ С-150—55:

Класс А. В основном стандартный портландцемент типа I, который может применяться для тампонирования нефтяных скважин глубиной не больше 1800 м, где от него не требуется никаких специальных свойств.

Класс В. В основном стандартный портландцемент типа II, который может применяться для тампонирования нефтяных скважин глубиной не больше 1800 м в условиях умеренной сульфатной агрессии.

Класс С. В основном стандартный портландцемент типа III, который может применяться для тампонирования нефтяных скважин глубиной не больше 1800 м в тех случаях, когда требуется высокая прочность в ранние сроки твердения.

Однако, поскольку эти портландцемента применяются в необычных условиях, к ним предъявляются несколько отличные от стандартных требования в отношении физических свойств, в частности, е отношении прочности и сроков загустевания.

Тампонажные цементы медленного схватывания отличаются от обыкновенных цементов тем, что в них содержатся специальные замедлители, добавляемые, помимо гипса (или вместо гипса), при помоле или после него. Назначение этих добавок состоит в том, чтобы замедлить гидратацию цемента и таким образом удлинить сроки схватывания при тампонировании скважин глубиной от 1800 до 4800 м. В таких глубоких скважинах температура и давление на дне столь высоки, что обычный портландцементный раствор схватился бы и затвердел раньше, чем его удалось бы накачать до требуемой глубины.

Тампонажный цемент применяется в виде жидкого теста или пульпы, содержащей 40—50% воды (по весу цемента), и накачивается в скважину насосом. Время, по истечении которого тесто становится слишком густым (или вязким) и не может накачиваться насосом, называется сроком загустевания тампонажного цемента. Срок загустевания зависит от таких факторов, как вид цемента, водо-цементное отношение, давление и температура на дне скважины. Он определяется в лаборатории и характеризуется временем, необходимым для того, чтобы вязкость теста достигла 100 пуазов (или иной заданной величины) при испытании на стандартном приборе, называемом консистометром и специально сконструированном для данной цели.

Согласно стандарту 10-А Американского нефтяного института (1952 г.), тампонажные цементы замедленного схватывания делятся на три класса: D, Е и F и предназначаются для цементации нефтяных скважин глубиной соответственно 3600, 4200 и 4800 м. С дальнейшим улучшением качества замедлителей и цементов число этих классов можно будет сократить до двух и даже до одного. Вместе с тем по мере углубления скважин до 5400 и 6000 м и усложнения условий бурения может возникнуть необходимость в создании цемента нового класса.

История бурения

Бурение нефтяных скважин в США началось в 1859 г. Однако-до 1907—1908 гг. тампонирование скважин не производилось. К этому периоду относится первая удачная попытка уплотнения обсадных труб портландцементным тестом для защиты нефтяных слоев от проникания воды. Эти первые опыты, хотя они и проводились с помощью весьма примитивного оборудования, подтвердили пригодность портландцемента для этих целей и открыли новую область для его применения. С момента этих опытов началось развитие специальных тампонажных цементов.

Вначале для тампонирования нефтяных скважин применялся обыкновенный портландцемент, который в те времена не имел нормированного минералогического состава и характеризовался довольно грубым помолом — до величины удельной поверхности 1200—1300 см2/г (по Вагнеру). Портландцемент грубого помола отличался медленным схватыванием, особенно при тех температурах и давлениях, которые наблюдались в сравнительно неглубоких скважинах того времени. Таким образом, пуск скважины в эксплуатацию зачастую задерживался до тех пор, пока цемент не схватывался и не приобретал необходимую прочность. Эта задержка носила название «выжидательного срока» и в наше время стала отрицательной величиной, так как при современных сложных методах бурения цемент успевает приобрести необходимую прочность еще до окончания буровых работ.

В связи с «выжидательным сроком» нефтяники видвинули требование, чтобы цемент для тампонирования скважин имел более высокую тонкость помола, а следовательно, быстрее схватывался и набирал заданную прочность. Поэтому многие тампонажные цементы в первое время представляли собой просто стандартные портландцементы, измолотые до удельной поверхности 1800— 2000 см2)г (по Вагнеру) и продававшиеся по более дорогой цене из-за дополнительных расходов на помол. Постепенно тонкость помола тампонажных цементов повышалась, и современный цемент класса С в этом отношении приближается к быстротвердею-щему портландцементу типа III.

Но углубление нефтяных скважин, сопровождающееся повышением температуры и давления, вызвало значительное ускорение гидратации цемента. В результате оказалось, что тонкомолотые тампонажные цементы схватываются слишком быстро и не успевают достигнуть нижних слоев скважины. В связи с этим наметилась тенденция к постепенному понижению тонкости помола и к введению в цемент добавок, замедляющих схватывание.

Химический состав

Начало применению специальных замедлителей положила фирма Халлибартон, занимавшаяся бурением глубоких нефтяных скважин. Она использовала для замедления схватывания цемента при тампонировании смесь гуммиарабика и борной кислоты, которая усиливала замедляющее действие гипса, добавляемого при помоле. С тех пор было найдено много других замедлителей, как, например, казеин, различные соединения лигнина и т. д. Однако ни один из применяемых ныне замедлителей не является эффективным на глубине 4800 м и больше.

Исходя из того, что причиной быстрого схватывания и твердения цемента, особенно в условиях повышенных температур и давлений, является присутствие трехкальциевого алюмината, Суэйзе из фирмы Лоун Стар изготовил специальный клинкер с нулевым содержанием СзА. Будучи сравнительно крупно измолот, этот клинкер дал цемент, который сохранял в течение очень долгого времени способность к накачиванию (т. е. подвижность). Безалю-минатный клинкер был получен путем введения в сырьевую смесь такого количества железа, которое связало весь глинозем в форме C4AF и частично — C2F. Безалюминатный или малоалюминат-ный цемент до сих пор производится на нескольких заводах в США и Мексике.

Хотя в стандарте предусматривается минимальная прочность для медленно схватывающегося тампонажного цемента класса Е, на практике этот показатель не играет существенной роли. Например, Фаррис показал, что минимальная прочность на растяжение должна составлять 0,56 кг/см2, а время, необходимое для получения этой прочности, в 3 раза больше того, которое требуется для придания цементному шламу вязкости в 100 паузов. Для тампо-нажного цемента достаточна такая прочность, которая предохраняет его от разрушения при удалении цементной пробки или при спуске давления в обсадной трубе.

Решающим показателем при испытании медленно схватывающихся тампонажных цементов является время загустевания. Для этого испытания созданы различные приборы: консистометр Калифорния Стандард (КС), консистометр Халлибартон и консистометр Станолинд. Первые два предназначены для определения загустевания цементной пульпы (40% воды к весу цемента) только в условиях повышенного давления. Консистометр Станолинд позволяет измерять загустевание при повышенных давлениях и температурах, что делает его более эффективным в условиях прохождения глубоких скважин.

Применение

Тампонажные цементы предназначаются для заполнения частично или полностью свободного пространства между обсадной трубой и стенками скважины, чтобы предупредить просачивание воды в нефтеносный слой и выбросы нефти и газов, защитить обсадные трубы от разъедающего действия агрессивных вод и закрепить обсадку, уменьшив тем самым напряжение на стальные трубы.

Помимо того, тампонажные цементы применяются для прекращения доступа воды в скважину, для уменьшения перемешивания газа и нефти путем закупорки трещин и пор в породе, а также для корректировки ошибок при перфорации обсадных труб на различном уровне. Они могут быть использованы и для таких целей, как заливка скважины для уменьшения ее глубины, создание защитных слоев на нижней части обсадной трубы и заделка повреждений в обсадных трубах.

Ваш отзыв