Буровые и тампонажные растворы

     Тампонажные растворы – это комбинации спецматериалов или составов, используемых для тампонирования. Тампонажные смеси с течением времени могут затвердевать с  образованием тампонажного камня или  загустевать, упрочняться, оставаясь  вязкой или вязко-пластичной системой.

     По  виду тампонирование делят на:

     - технологическое, выполняемое в  процессе сооружения скважины;

     - ликвидационное, проводимое для  ликвидации скважины после выполнения   целевого назначения.

     Функции тампонажного раствора и камня обусловлены  целью тампонирования и в зависимости  от этого к исходному тампонажному раствору предъявляются  различные  требования. 

     Требования  к тампонажному раствору

     1 Технического характера:

     - хорошая текучесть;

     - способность проникать в любые поры и микротрещины;

     - отсутствие седиментации;

     - хорошая сцепляемость с обсадными трубами и горными породами;

     - восприимчивость к обработке с целью регулирования свойств;

     - отсутствие взаимодействия с тампонируемыми породами и пластовыми водами;

     - устойчивость к размывающему действию подземных вод;

     - стабильность при  повышенных температуре и давлении;

     - отсутствие усадки с образованием трещин при твердении.

     2 Технологического характера:

     - хорошая прокачиваемость буровыми насосами;

     - небольшие сопротивления при движении;

     - малая чувствительность к перемешиванию;

     - возможность комбинирования с другим раствором;

     - хорошая  смываемость с технологического оборудования;

     - легкая  разбуриваемость камня. 

     3 Экономического характера:

     - сырье должно быть недефицитным и недорогим;

     - не влиять отрицательно на окружающую среду. 

                           Классификация тампонажных  растворов

     В зависимости от вяжущей основы ТР делятся:

     - растворы на основе органических  веществ (синтетические смолы).

     Жидкая  основа ТР – вода, реже – углеводородная жидкость.

     В зависимости от температуры испытания  применяют:

     - цемент для «холодных» скважин  с температурой испытания 22^оС;

     - цемент для «горячих» скважин  с температурой испытания –  75^оС.

     По  плотности ТР делят на:

     - легкие – до 1,3 г/см³

     - облегченные – 1,3 – 1,75 г/см³;

     -  нормальные – 1,75 -1,95 г/см³;

     - утяжеленные – 1,95 -2,20 г/см³;

     - тяжелые – больше 20,20 г/см³.

     По  срокам схватывания делят на:

     - быстро схватывающиеся – до 40 мин;

     - ускоренно схватывающиеся – 40 мин- 1час 20 мин;

     - нормально схватывающиеся - 1час 20мин – 2 час;

     - медленно схватывающиеся – больше 2 час. 

                    Основные технологические  параметры ТР

     Цементным тестом называется смесь цемента с водой. Цемент перед испытанием просеивается через сито 80 мкм.

     Водо-цементное отношение – В/Ц – отношение объема воды к весу цемента.

     Тесто готовится вручную в сферической  чаше в течение 3 минут или на специальных  мешалках 5 минут.

1. Растекаемость, см – определяет текучесть (подвижность) цементного раствора.
2. Плотность, г/см³ – отношение массы цементного раствора к его объему.
3. Фильтрация или водоотдача, см³ за 30мин – величина, определяемая объемом жидкости затворения, отфильтрованной за 30 минут при пропускании цементного раствора через бумажный фильтр ограниченной площади под давлением 1 атм.
4. Седиментационная устойчивость цементного раствора – определяется водоотделением, т.е. максимальным количеством воды, способным выделиться из цементного раствора в результате процесса седиментации.
5. Время загустевания (час - мин, начало-конец) – время потери текучести.
6. Сроки схватывания (час - мин, начало-конец) – определят время перехода цементного раствора в твердое состояние цементного камня.

 

                           Требования к тампонажному  камню

1. Достаточная механическая прочность.
2. Непроницаемость для бурового раствора, пластовых вод и газа.
3. Стойкость к коррозионному воздействию пластовых вод.
4. Температурная стойкость.
5. Сохранение объема при твердении и упрочнении.
6. Минимальная экзотермия.  

          Уровень требований к параметрам  зависит от цели тампонирования.

           Измеряемые характеристики тампонажного  камня:

     - прочность на изгиб и сжатие;

     - проницаемость;

     - коррозионные свойства;

     - объемные изменения при твердении. 

     Материалы для приготовления  тампонажных растворов

• на неорганической  основе : вяжущие- цементы, гипс, известь;
• на органической основе: синтетические смолы, битумы, латексы;
• жидкости затворения: пресная вода, минерализованная вода, углеводородные жидкости;
• добавки, регулирующие плотность растворов, придания им закупоривающих свойств (наполнители), снижения стоимости;
• материалы для регулирования сроков схватывания и реологических характеристик (реагенты).

 

     Тампонажный портландцемент

     Тампонажный портландцемент представляет собой  разновидность силикатного цемента. Основная часть – клинкер, который получают обжигом смеси известняка и глины до спекания при температуре 1450 ⁰С.

       Известь при обжиге дает окись кальция. Глина является источником окиси кремния (кремнезема), окиси алюминия (глинозема) и окиси железа.

       При помоле к клинкеру добавляют 3-6 % гипса и вводят 10-14 % минеральных добавок. Они улучшают некоторые свойства раствора и камня, а также экономят дорогостоящий клинкер.

       При обжиге клинкера окиси  взаимодействуют друг с другом, образуя искусственные минералы.

                              Основные минералы портландцемента:

• алит – трехкальциевый силикат- 3 СаО* Si О₂;
• белит – двухкальциевый силикат- 2СаО* SiО₂ ;
• трехкальциевый алюминат – 3СаО*А1₂О₃;
• целит -четырехкальциевый алюмоферрит- 4СаО*А1₂О₃*Fе₂О₃.

 

                               Свойства сухого цементного порошка.

1. Плотность – 3,0-3,3 г/см³.
2. Насыпная масса – 0,8-1,2 г/см³ в рыхлом состоянии и 1,7-1,9 г/см³  - в уплотненном.
3. Угол естественного откоса – 39-43 ⁰.
4. Гранулометрический  состав - зависит от степени измельчения.
5. Удельная поверхность порошка – это суммарная поверхность частиц единицы массы или объема и зависит от гранулометрического состава.

                      

     Методы  проектирования составов цементных растворов  пониженной плотности

• Снижение плотности твердой фазы введением легкого наполнителя или вяжущего вещества меньшей плотности.
• Повышение водосодержания тампонажного раствора при одновременном повышении водоудерживающей способности.
• Введение большого объема газообразной фазы при одновременном ее диспергировании и стабилизации образующейся пены.
• Замена части воды углеводородной жидкостью с меньшей плотностью.

 

     Утяжелители для тампонажных  растворов

     Предупреждение  осложнений при цементировании достигается  регулированием противодавления на пласты, что может быть обеспечено применением тампонажных растворов  с увеличенной плотностью. Для  этого необходимо повышать плотность  дисперсионной среды или твердой  фазы. Распространен второй способ, при котором утяжеление достигается:

• введением утяжелителей;
• совместным помолом клинкера и утяжеляющих добавок;
• увеличением окиси железа в портландцементе.

 

     Реагенты  для регулирования  свойств тампонажных  растворов

     Ускорители  сроков схватывания: это в основном электролиты и такие вяжущие, как гипс и глиноземистый цемент. Самый распространенный – хлористый кальций. Хлористый калий, силикат натрия, хлорид натрия, кальцинированная сода и др.

     Замедлители сроков схватывания: используют в растворах для цементирования глубоких и высокотемпературных скважин. Применяют электролиты и органические вещества. Большинство замедлителей - это гидрофобизирующие поверхностно-активные вещества. Лигносульфонаты различных типов: ССБ, КССБ, окзил, ФХЛС и др.; борная кислота, виннокаменная кислота и т.д.

     Пластификаторы – применяют для повышения текучести растворов. ССБ, ГКЖ, ПЛС, С-4 и др.

     Понизители  фильтрации (водоотдачи) – являются стабилизаторами дисперсных систем и поэтому снижают фильтрацию. Бентонитовая глина, ПАА, декстрин, КМЦ, ПВТ-ТР и др.

     Пеногасители – НЧК, АКС-20ПГ и др. 

                           Образование цементного  камня

     Оно связано с образованием трехкальциевого  гидроалюмината. Процесс условно  происходит в два этапа. В начальный  момент затворения он интенсивно взаимодействует  с водой. Мельчайшие частицы растворяются, более крупные гидратируются  с растворением вещества поверхности. Затем происходит период замедления этих реакций. В это время цементный  раствор – это пластическая масса. На поверхности частичек образуются сольватные оболочки и положительные  электрические заряды. Между ними возникают силы отталкивания.

     Наряду  с этим зерна цемента в массе  раствора настолько сконцентрированы, что между ними возникают силы взаимного притяжения. Так как  на острых краях  цементных зерен  толщина сольватных оболочек меньше, чем на остальных участках поверхности, то плотность электирического заряда здесь меньше, следовательно, меньше сила отталкивания. Одновременно, в результате химического взаимодействия составляющих цемента, появляются гидратные  новообразования. В системе образуется коагуляционная структура. Завершается первый этап (индукционный).

     К этому времени пластическая прочность  низка, темп нарастания ее медленный  и зависит от связывания вод, степени  дисперсности цемента в воде и  накапливания гидратных новообразований. Такая система тиксотропна, связи  между частицами в ней обеспечиваются через гидратные оболочки и поэтому  слабы. После механического разрушения системы связи восстанавливаются. Разрушение структуры при перемешивании  не приводит к необратимым последствиям.

     Второй  этап характеризуется возникновением и развитием кристаллизационной структуры трехкальциевого гидроалюмината. Поверхность и объем частиц увеличивается  настолько, что возникают молекулярные связи между ними. Этот процесс  сопровождается интенсивным нарастанием  прочности структуры. Связь между  частицами очень прочная и  характер разрушения необратим, т.е. разрушение приводит к уничтожению контактов  срастания и резкому снижению прочности. Если перемешать раствор в поздний период твердения, то тампонажный камень может не образоваться.