СПЕЦИАЛЬНЫЕ ЦЕМЕНТЫ

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.

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 (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 портландцементного клинкера получить нельзя.

БКЦ — безобжиговое гидравлическое вяжущее, по­лучаемое путем совместного тонкого измельчения высу­шенного белитового компонента и кварцевого песка или тщательным смешиванием тех же материалов, измель­ченных раздельно. Белнтовый компонент является отхо­дом, получаемым при производстве глинозема из нефе-' линовых пород. Он должен содержать не менее 80%

P-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 затворения добавки мо-' нохромата натрия, количество которого уточняется пробными затворениями на месте применения.

Предел прочности при изгибе образцов-балочек раз­мером 4X4X16 см после твердения их в автоклаве кон-' струкции ГрозНИИ в течение двух суток должен со-' ставлять: '

При температуре 363—403К и давлении 2—40 МПа не менее 3 МПа то же 403—423К и давлении 50—70 МПа не менее 4 МПа » 423—573К и давлении 5—7 МПа не

Менее б МПа

БКЦ производится на Чернореченском цементном заводе с применением нефелинового высушенного шла­ма Ачинского комбината.

Шлакопесчанистый цемент разработан в ГрозНИИ для цементирования высокотемпературных скважин.

Этот цемент получают, смешивая молотый гранулиро­ванный доменный шлак и кварцевый песок определен­ной крупности с' добавками некоторых веществ. Цемент успешно используют для цементирования нефтяных южных районов.

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' со- лестойкость (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 шлакопортландце­мент с 35—50% шлака с пониженным количеством СзА в клинкере и А1203 в шлаке, а также содержащий не более 20% активной минеральной добавки.

Портландцемент тампонажный песчанистый получа­ют совместным тонким измельчением клинкера тампо­нажного портландцемента, кварцевого песка и гипса или тщательным смешением стандартного тампонажно­го цемента с предварительно измельченным кварцевым песком. Выпускается такой песчанистый портландце­мент для тампонирования «холодных» и «горячих» скважин. Содержание кварцевого песка в тампо - нажном песчанистом портландцементе для «хо­лодных» скважин должно составлять не менее 20%, для «горячих» — не более 50%. Предел прочности при из-

7 Зак. 531
гибе через двое суток твердения образцов из цементно­го теста с ВЩ=0,5 при стандартной растекаемости не менее 18,0 см должен быть: для «холодных» скважин при 295 К±0,2 не менее 2,0 МПа; для «горячих» сква­жин при 348 К±0,3 не менее 4 МПа.

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 волок­
нистыми 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 — 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. Гель - цементный 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,' 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 бен-

Т Зак. 531
тонитовой 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.

Разработан песчанисто-трепельный портландцемент, Позволяющий получать цементный раствор с плотностью 1,5—1,6 г/см3. Растекаемость цементной пульпы (теста) при подобранном количестве воды должна быть не ме­нее 180 мм; коэффициент водоотделения теста не дол­жен превышать 2,5%. Требования к прочности характе­ризуются следующими данными (табл. 25).

Начало схватывания наступает в обычные сроки как у стандартизованных тампонажных портландцементов.

Расширяющийся тампонажный цемент для цементи­рования газовых скважин. При бурении, а также в про­цессе эксплуатации газовых скважин наблюдаются иногда затрубные прорывы газа, часто вызывающие об­разование открытых газовых фонтанов. Считают, что прорывы газа происходят через зазоры, образующиеся преимущественно на контакте цементного камня с обсад­ными трубами и стенками скважины в результате уса­дочных явлений, присущих портландцементным раство­рам. Для предупреждения усадки и ликвидации газо­проницаемости цементного камня С. И. Данюшевским и Р. И. Лиогонькой предложено применять при цемен­тировании газовых скважин расширяющийся портланд­цемент, разработанный в Гипроцементе.

Этот' цемент получают путем применения в качестве расширяющегося компонента в цементе добавки до 15% активного (каустического) оксида магния, гидратация ко­торого вызывает заметное увеличение объема цементно­го камня. В зависимости от дозировки оксида магния и тонкости помола цемент при твердении может расши­риться до 0,1—2,0%- Большое значение имеет техноло­гия измельчения расширяющегося цемента, которое мо­жет осуществляться путем совместного или раздельного помола клинкера и оксида магния. При изготовлении цемента для цементированных холодных скважин мо­жет быть использован клинкер обыкновенного тампо­нажного цемента, а клинкер для цементирования горя­чих скважин должен содержать не более 6% трехкаль­циевого алюмината.

Расширяющиеся тампонажные цементы характери­зуются меньшими водоотделением, тепловыделением, контракцией и газопроницаемостью при несколько по­вышенной стойкости в агрессивных средах. Эти цемен­ты успешно применяли для цементирования более де­сятка различных газовых и нефтяных скважнн.

Предложен портландцемент с воздухововлекающи - ми добавками, из которого получается менее хрупкий затвердевший раствор. Воздухоудерживающий цемент обладает также повышенной текучестью и лучше снеп - ляется с породой. Во время схватывания цементного ра­створа из-за повышения его температуры происходит расширение и увеличение объема вовлеченного воздуха, что приводит к вдавливанию раствора в поры породы. Разработан также состав цементов для цементирования нефтяных скважин в солевых отложениях.

Кроме указанных специальных видов цемента, на одном из восточных нефтяных месторождений применя­лась добавка до 15% глиноземистого либо гипсоглино - 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.

По ГОСТ регламентированы свойства указанных основных видов цемента для холодных и горячих сква­жин и на их основе следующих разновидностей цемен­тов, содержащих стандартизованные добавки:

1. Утяжеленный, состоящий не более чем из 70% любого материала со средней плотностью не менее 3,5-10з кг/м3.

2. Песчанистый, содержащий не менее 20 и не бо­лее 50% кварцевого песка.

3. Солестойкий, включающий гранулированного, доменного или электротермофосфорного шлака не ме­нее 35 и не более 50% либо активных минеральных до­бавок не более 20% или кварцевого песка не ме­нее 20 и не более 35%. Этот цемент должен содер­жать кроме минеральных добавок жидкое стекло не менее 1,0 и не более 2,5% в пересчете на сухое ве­щество.

/ 4. Низкогигроскопичный с содержанием 0,025— 0,05% триэтаноламина при соответствующем для там - понажного портландцемента количестве минеральных добавок.

Для цемента соответствующей разновидности уста­новлены определенные сроки начала и конца схваты­вания; показатели предела прочности при изгибе 1,0— 2,7 МПа через 5 сут для цементов, предназначенных для «холодных» скважин, и 1р—4,0 МПа — для це­ментов для «горячих» скважиу через 1—2 сут.

В США выпускается семь/классов (по их класси­фикации) обычных и сульфатостойких тампонажных цементов. Значительное взимание уделяется также применению для этих целей обычных портландцемен­тов с различными добавками, такими, как замедли­тели и ускорители схватывания и твердения, облегчи - тели и утяжелители для регулирования плотности, органические добавки — латекс, пластические массы, смолы и др. Изготовляют нефтецементные растворы, затвердевающие при взаимодействии с водой в сква­жине и обладающие высокой газо - и водонепроницае­мостью, цементы, затворяемые на водо-нефтяных эмульсиях и др.

Цементные растворы, содержащие жидкий латекс и поверхностно-активное вещество, отличаются высо­кими вяжущими свойствами при сцеплении с поверх­ностями, покрытыми нефтяным слоем. В затвердев­шем состоянии они менее хрупки, чем обычные и об­ладают высокими упругопластическими свойствами, что крайне важно для предупреждения образования трещин при перфорации, и дают меньшую усадку.

В качестве замедлителей схватывания рекомендова­ны добавки декстрина, крахмала, ржаной муки, а так­же казеина. Применяется и небольшая добавка, со­стоящая из смеси борной кислоты, буры и гуммиара­бика. Предложены также добавки винной кислоты, са­хара, гексаметафосфата натрия, растворенных в ед­ком натрии, гуминовой, галловой, лигниновой и других органических кислот. Считается целесообразным ис­пользование в качестве замедлителя натриевой соли карбоксиметиловой целлюлозы.

Для уменьшения водоотделения применяют, глав­ным образом, добавки бентонитовой глины, а для уменьшения плотности цементного раствора — комби­нированную добавку, состоящую из бентонита и пер­лита. Большое внимание уделяется пуццолановым тампонажным цементам, обладающим высокой соле - стойкостью, крайне необходимыми для качественной перфорации пластическими свойствами и высокой плот­ностью цементного камня. Применение повышенной добавки бентонитовых глин в цементы в количестве до 25% значительно улучшает специальные свойства цементных растворов.