Технологическая линия по производству тампонажного портландцемента

Федеральное агентство по образованию

Пермский Национальный Исследовательский Политехнический Университет

Строительный факультет

Кафедра строительных материалов и  специальных технологий

 

 

 

 

КУРСОВОЙ  ПРОЕКТ

по  дисциплине «Вяжущие вещества»

НА ТЕМУ: «Технологическая линия по производству тампонажного портландцемента».

 

 

 

 

 

 

Выполнил студент гр. ПСКз-09. 1:

Лекомцев Д. М.

Принял преподаватель:

Катаева Л. И.

 

 

 

 

г. Пермь 2012

 

 

ТАМПОНАЖНЫЕ ЦЕМЕНТЫ

Тампонажный цемент является одной из разновидностей портландцемента и предназначен для изоляции нефтяных скважин от действия грунтовых вод. В соответствии с ГОСТ 1581-42 тампонажный цемент выпускается  двух видов: а) для «холодных» скважин; б) для «горячих» скважин.

Химико-минералогический состав. По химическому составу тампонажные цементы практически не отличаются от портландцемента, вследствие чего минералогический состав клинкира тампонажного цемента на разных заводах колеблется в значительных пределах.

Клинкеры  тампонажного цемента для холодных скважин характеризуются:

а) повышенным содержанием трехкальциевого алюмината (до 12-13%) при содержании алита около 50%, что обеспечивает требуемую скорость схватывания и повышенную прочность  цемента в ранние сроки твердения;

б) повышенным содержанием трехкальциевого силиката (57-60%) при пониженном содержании С3А (4-7%). При таком клинкере, если он достаточно тонко измельчен, также обеспечивается требуемая скорость схватывания и высокая активность цемента в ранние сроки твердения.

Для горячих  скважин, чтобы замедлить сроки  схватывания и сохранить требуемую  текучесть цементного раствора, применяют  цемент с низким содержанием С3А. При производстве клинкера тампонажного портландцемента применяют те же сырьевые компоненты, что и для обычного портландцемента.

Процессы твердения и гидротации тампонажного цемента ускоряются с  повышением температур в скважине. Одновременно прочность цемента  повышается, а время начала схватывания  сокращается.

Тампонажный цемент, затворенный 50% воды,  способен давать подвижную массу (пульпу), которую можно накачивать в скважины насосами. Необходимо, чтобы затвердевший цементный камень из такой разбавленной пульпы обладал высокой начальной  прочностью. Для регулирования сроков схватывания к цементу добавляют  гипс, оптимальную дозировку которого на заводах подбирают в зависимости  от минералогического состава клинкера и тонкости помола цемента. Добавка  гипса в расчете на SО₃ не должна быть более 3,5%.

Сроки схватывания цементного шлама  с 50% воды должны быть следующими: для  холодных скважин – начало схватывания  не ранее 3-х часов и не позднее 7 часов 30 минут после затворения, а конец – не позднее 3 часов  после начала схватывания;

Для горячих  скважин – начало схватывания  не ранее 1 часа 45 минут и не позднее 2 часов 45 минут после затворения, а конец – не позднее 1 часа 30 минут  после начала схватывания.

Предел прочности при изгибе образцов  в возрасте двух суток  должен составлять: для холодных скважин  при температуре затворения 22 ±2 градуса – не менее 27кГ/см²; для горячих скважин при температуре затворения 75 ±3 градуса – не менее 62кГ/см². Тонкость помола цемента должна быть такой, чтобы при просеивании через сито № 008 проходило не менее 25% от веса пробы. Степень тонкости помола устанавливают на заводах в зависимости от получаемых показателей растекаемости пульпы, сроков схватывании и прочности на изгиб в двухсуточном возрасте (что определяется по ГОСТ 1581-42).

Растекаемость цементного раствора с 50% воды должна быть не менее 16 см по стандартному конусу АзНИИ. Цемент должен обнаруживать равномерность изменений объема при испытаниях по методике, установленной  для портландцемента. Тампонажный  цемент можно применять и как  обычный портландцемент для общестроительных работ, за исключением гидротехнических сооружений, после определения его  марки по ГОСТ 970-61.

В зависимости от глубины скважин  меняются температурные условия, при  которых ведется тампонирование. Вне глубоких, так называемых холодных скважинах температура не превышает 40 градусов. В глубоких (до 2,5 тыс.метров), или горячих скважинах, тампонировать приходится при более высокой температуре – до 90 градусов, а в сверхглубоких (до 4000 метров и более) – при температуре 100 градусов выше. Столь различные условия тампонирования обуславливают необходимость применения различных цементов, специальные виды тампонажных цементов, изготовленные с учетом специфических условий бурения, обусловленных глубиной скважин и геологическими особенностями месторождений.                                           

Специальные тампонажные цементы.  У цементов для «холодных» и «горячих» скважин при испытании по стандартной методике при хранении заметно снижались прочностные показатели. В НИИЦе-менте был разработан способ устранения этих явлений путем введения в состав цемента при его помоле добавки триэтаноламина, что позволило создать специальный вид цемента.Кроме указанных специальных видов цемента, на одном из восточных нефтяных месторождений применялась добавка до 15% глиноземистого либо гипсоглиио-земистого цемента к тампонажному портландцементу. Цементный раствор быстро схватывался. Его использование позволило прекратить катастрофический уход глинистого раствора и надежно изолировать нефтеносные пласты от водоносных горизонтов.

Солестойкие тампонажные  портландцементы. Проблема повышения стойкости тампонажных цементов для службы в минерализованных пластовых водах наших нефтяных месторождений усложнялась тем, что воды эти содержат различное количество солей, сульфатов, хлоридов, сероводорода и др. и в подавляющей своей части вызывают коррозию, особенно, когда они начинают действовать на цемент в начале его твердения. Кроме того, невозможность извлечения и исследования цементного камня из скважин не позволила всесторонне изучать эти виды коррозии.При изучении влияния добавок в цементе на его солестойкость (С. М. Рояк и З.'Л. Данюшевская) было показано, что тонкоизмельченный кварцевый песок при 348 К гидравлически активен и химически связывает в течение месяца (при определении по стандартной методике) гидроксид кальция в количестве до 160 мг СаО на 1 г песка. Это Свидетельствует о положительном его влиянии на цемент, так как повышается его солестой-кость. Было установлено также, что низкоалюминатные тампонажные цементы, содержащие обычно около 55% C3S, будут иметь удовлетворительную стойкость при твердении в минерализованных пластовых водах, если вводить в их состав при помоле 20—35% кварцевого песка. Солестойкими также будут шлакопортландце-мент с 35—50% шлака с пониженным количеством СзА в клинкере и А1203 в шлаке, а также содержащий не более 20% активной минеральной добавки.

Низкогигроскопичный тампонажный  портландцемент. Низкогигроскопичный тампонажный портландцемент является разновидностью тампонажного портландцемента и характеризуется тем, что не теряет прочности при длительном хранении. Такой портландцемент получают путем совместного измельчения клинкера, гипса и 0,025—0,05 поверхностно-активной добавки триэтаноламина. В остальном он не отличается от тампонажного портландцемента и удовлетворяет требованиям, предъявляемым к ним ГОСТом.

Белитокремнеземистый цемент. Белитокремнеземистый цемент (БКЦ) предназначен для цементирования высокотемпературных нефтяных и газовых скважин. Он разработан в НИИЦемен-те С. М. Рояком и А. М. Дмитриевым. Ими было установлено, что для получения прочного, газонепроницаемого и устойчивого цементного камня необходимо, чтобы он содержал преимущественно низкоосновные гидросиликаты кальция серии CSH(B) [44]. Качественный цемент для этих условий на основе портландцемептпого клинкера получить нельзя. БКЦ — безобжиговое гидравлическое вяжущее, получаемое путем совместного тонкого измельчения высушенного белитового компонента и кварцевого песка пли тщательным смешиванием тех же материалов, измельченных раздельно. Белнтовый компонент является отходом, получаемым при производстве глинозема из нефелиновых пород. Он должен содержать не менее 80% (3-C2S. В составе белитового компонента может быть не более 2,5% щелочей, количество ангидрида серной кислоты не должно превышать 0,5%. Состав цемента в зависимости от температуры в скважине может изменяться: содержание белитового компонента колеблется от 30 до 70%, а кварцевого песка соответственно от 70 до 30%. Можно вводить в цемент добавку измельченной бентонитовой глины. Тонкость помола цемента характеризуется удельной поверхностью 3500—5500 см2/г.  При раздельном помоле кварцевого песка и белитового компонента удельная поверхность в зависимости от их соотношения в цементе должна составлять:

белитового компонента ..... 3000—5000 см2/'г

кварцевого песка........ 2000—3000 см2/г 

Растекаемость цементного теста с  определенным количеством пресной  воды, измеряемая с помощью прибора-конуса, должна быть не менее 180 мм. Сроки схватывания  цементного теста должны составлять: начало — не ранее 1 ч 45 мин, конец  — не позднее 10 ч. Для ускорения  схватывания БКЦ при цементировании скважин в интервале температур 363—403 К в цементный раствор  вводят кальцинированную соду (ориентировочно 1—5%), количество которой уточняют пробными затворениями на месте применения. Если необходимо замедлить схватывание, то это может быть достигнуто введением  с водой затворення добавки мо-нохромата  натрия, количество которого уточняется пробными затворениями на месте применения. БКЦ производится на Чернореченском цементном заводе с применением  нефелинового высушенного шлама  Ачинского комбината.

Утяжеленный тампонажный  портландцемент. Проводка скважин в сложных условиях при высоких пластовых давлениях осуществляется с помощью так называемых утяжеленных глинистых растворов. Плотность этих растворов достигает 2,0—2,25 г/см3. Для доброкачественного цементирования в таких условиях необходимо, чтобы плотность цементного раствора, применяемого для производства тампонажных работ, превышала плотность глинистого раствора, применявшегося при бурении скважины на 0,25—0,30 кг/м3. Цементные растворы с такой плотностью используют для того, чтобы обеспечить более полное вытеснение из затрубного пространства тяжелого глинистого раствора. Достаточная полнота и хорошее качество цементирования обеспечивают надежное крепление и изоляцию скважины от прорыва пластовых вод или других осложнений, В этих условиях рекомендуется использовать утяжеленный тампонажный портландцемент, получаемый путем совместного тонкого измельчения 50—60% цементного клинкера с добавкой гипса и не более 70% утяжеляющей добавки — железной руды в виде магнетита, гематита, тяжелого шпата со средней плотностью не менее 3,5 кг/м3. Возможно предварительное измельчение компонентов с последующим их смешиванием. Испытывают этот цемент с определенным количеством воды при стандартной растекаемости цементного теста. Предел прочности такого цемента при изгибе через 2 сут не менее 1,0 МПа для холодных и 2,0 МПа для горячих скважин.

Волокнистый тампонажный  портландцемент. Как уже говорилось, при проходке скважин наблюдается иногда «уход» глинистого или цементного раствора. Разработаны специальные цементы, надежно закрывающие пути ухода глинистого или цементного раствора при капитальном ремонте скважин и предотвращающие поглощение тампонажного раствора трещиноватыми или дренированными пластами. Волокнистые цементы представляют собой тщательно смешанный готовый тампонажный цемент с волокнистыми добавками (асбестом и некоторыми отходами производства текстильной, целлюлозной промышленности и пр.), вводимыми в количестве 2—3%. Наличие в цементе волокнистой добавки способствует быстрому образованию на стенках скважины сетчатых, каркасных пленок или тампонов по сечению трещин, вокруг которых накапливается и уплотняется цементный раствор, закрывающий все имеющиеся неплотности. В результате образуется плотная, хорошо скрепляющаяся с поверхностью цементная корка, надежно закрывающая мелкие трещины и другие дренажные каналы. Образующаяся волокнистая пленка препятствует также проникновению в пласт излишнего количества цемента.

Гельцемент. Гельцемент — разновидность тампонажного цемента, получаемого путем совместного помола тампонажного портландцемента с добавкой 3—7% бентонитовой глины. Можно получать этот цемент путем смешения раздельно измельченных компонентов. Технические условия на этот цемент разрабатываются. Гельцементный раствор обладает повышенной пластичностью и характеризуется большим углом естественного откоса, пониженным водоотделением, пониженной усадкой, что дает возможность регулировать плотность цементного раствора. Добавка бентонитовой глины в' тампонажный портландцемент — эффективный способ улучшения ряда свойств цемента. Опыты показали, что' эта добавка позволяет повысить трещиноустойчивость цемента при сохранении необходимой прочности на растяжение. Бентонитовые глины добавляют в цементы не только для получения затвердевшего цементного камня, который не будет крошиться во время перфорации, но и для того, чтобы свести к минимуму осаждение твердых частиц, уменьшить водоотделение и повысить среднюю плотность затвердевшего цемента. Применение этих глин позволяет также значительно увеличить выход тампонажного раствора из данного количества цемента,1 поскольку бентонит позволяет добавлять больше воды в раствор. В скважинах, которым грозит «потеря циркуляции», т. е. уход глинистого раствора или цемента под действием гидростатического давления в пласты пород, гельцемент, дающий облегченный цементный раствор, имеет определенное преимущество перед обычным тяжелым цементным раствором. Часто совместно с бентонитовой глиной в состав цемента или раствора вводят до 0,5—0,75% СДБ для регулирования сроков схватывания раствора.

Облегченный тампонажный  портландцемент. Во многих районах СССР бурение нефтяных и газовых скважин ведется на глубину более 3500—4000 м. В связи с этим возникает необходимость поднимать цементный раствор за обсадными трубами на значительную высоту (более 2000 м). В этих условиях необходимы облегченные цементные растворы. Тампонажный облегченный портландцемент получают путем совместного помола тампонажного портландцементного клинкера, «облегчающей» добавки, и гипса или путем тщательного смешивания тех же материалов, но раздельно измельченных. Содержание клинкера в цементе должно быть не менее 30% по массе. Выпускается облегченный тампонажный портландцемент для «холодных» и «горячих» скважин. Облегчающими служат активные минеральные добавки (пемза, диатомит, опока, трепел и др.)- Кроме того, цемент на месте потребления смешивается с добавками глины, пористых неорганических материалов (перлита, керамзита), углеродистых материалов, гильсонита, нефтяного кокса и др. Эти добавки характеризуются меньшей плотностью и высокой водопотребностью, что вызывает необходимость повышать содержание воды в растворе и понижать его плотность до 1,5 г/см3.