Тампонажний цемент - цемент і бетон
тампонажний цемент
Тампонажним цементом називається портландцемент (звичайний або його різновид), придатний для цементації нафтових свердловин.
Він має склад звичайного портландцементу, як показує наступна витримка, взята зі стандарту 10-А Американського нафтового інституту на тампонажний цемент:
«Визначення. Цемент, відповідний справжнім технічним умовам, є продукт помелу клінкеру, що складається в основному з гідравлічних силікатів кальцію, до якого не дозволяється додавати при помелі або після нього ніяких речовин, крім відповідних добавок для регулювання схоплювання.
Добавкою, яка регулює схоплювання, може бути речовина, не надає шкідливої дії на довговічність цементу і не викликає падіння міцності після першого дня твердіння ».
Тампонажні цементи діляться на два види:
1) цементи нормального схоплювання і 2) цементи уповільненої схоплювання. До першого виду належать три класи цементів, які охоплюються стандартом астма з-150-55:
Клас А. В основному стандартний портландцемент типу I, який може застосовуватися для тампонування нафтових свердловин глибиною не більше 1800 м, де від нього не потрібно ніяких спеціальних властивостей.
Клас В. В основному стандартний портландцемент типу II, який може застосовуватися для тампонування нафтових свердловин глибиною не більше 1800 м в умовах помірної сульфатної агресії.
Клас С. В основному стандартний портландцемент типу III. який може застосовуватися для тампонування нафтових свердловин глибиною не більше 1800 м в тих випадках, коли потрібна висока міцність в ранні терміни твердіння.
Однак, оскільки ці портландцементу застосовуються в незвичайних умовах, до них пред'являються дещо відмінні від стандартних вимоги щодо фізичних властивостей, зокрема, е відносно міцності і термінів загустіння.
Тампонажні цементи повільного схоплювання відрізняються від звичайних цементів тим, що в них містяться спеціальні сповільнювачі, що додаються, крім гіпсу (або замість гіпсу), під час помелу або після нього. Призначення цих добавок полягає в тому, щоб уповільнити гідратацію цементу і таким чином подовжити терміни схоплювання при тампонування свердловин глибиною від 1800 до 4800 м. У таких глибоких свердловинах температура і тиск на дні настільки високі, що звичайний портландцементний розчин схопився б і затвердів раніше, ніж його вдалося б накачати до необхідної глибини.
Тампонажний цемент застосовується у вигляді рідкого тесту або пульпи, що містить 40-50% води (за вагою цементу), і накачується в свердловину насосом. Час, після закінчення якого тісто стає занадто густим (або в'язким) і не може накачувати насосом, називається терміном загустевания тампонажного цементу. Термін загустевания залежить від таких факторів, як вид цементу, водо-цементне відношення, тиск і температура на дні свердловини. Він визначається в лабораторії і характеризується часом, необхідним для того, щоб в'язкість тіста досягла 100 пуаз (або інший заданої величини) при випробуванні на стандартному приладі, званому Консистометри і спеціально сконструйованому для даної мети.
Відповідно до стандарту 10-А Американського нафтового інституту (1952 г.), тампонажні цементи уповільненої схоплювання діляться на три класи: D, Е і F і призначаються для цементації нафтових свердловин глибиною відповідно 3600 4200 і 4800 м. З подальшим поліпшенням якості сповільнювачів і цементів число цих класів можна буде скоротити до двох і навіть до одного. Разом з тим у міру поглиблення свердловин до 5400 і 6000 м і ускладнення умов буріння може виникнути необхідність у створенні цементу нового класу.
Буріння нафтових свердловин в США почалося в 1859 р Однак-до 1907-1908 рр. тампонування свердловин не проводилося. До цього періоду відноситься перша вдала спроба ущільнення обсадних труб Портландцементний тестом для захисту нафтових шарів від проникнення води. Ці перші досліди, хоча вони і проводилися за допомогою вельми примітивного обладнання, підтвердили придатність портландцементу для цих цілей і відкрили нову область для його застосування. З моменту цих дослідів почався розвиток спеціальних тампонажних цементів.
Спочатку для тампонування нафтових свердловин застосовувався звичайний портландцемент, який в ті часи не мав нормованого мінералогічного складу і характеризувався досить грубим помелом - до величини питомої поверхні 1200-1300 см2 / г (по Вагнеру). Портландцемент грубого помелу відрізнявся повільним схоплюванням, особливо при тих температурах і тисках, які спостерігалися в порівняно неглибоких свердловинах того часу. Таким чином, пуск свердловини в експлуатацію часто затримувався до тих пір, поки цемент не схоплювався і не набував необхідної міцності. Ця затримка носила назву «вичікувального терміну» і в наш час стала негативною величиною, так як при сучасних складних методах буріння цемент встигає придбати необхідну міцність ще до закінчення бурових робіт.
Але поглиблення нафтових свердловин, що супроводжується підвищенням температури і тиску, викликало значне прискорення гідратації цементу. В результаті виявилося, що тонкомолотиє тампонажні цементи схоплюються дуже швидко і не встигають досягти нижніх шарів свердловини. У зв'язку з цим намітилася тенденція до поступового зниження тонкості помелу і до введення в цемент добавок, що уповільнюють схоплювання.
Початок застосування спеціальних сповільнювачів поклала фірма Халлібартон, що займалася бурінням глибоких нафтових свердловин. Вона використовувала для уповільнення зчеплення цементу при тампонування суміш гуммиарабика і борної кислоти, яка посилювала уповільнює дію гіпсу, який додається при помелі. З тих пір було знайдено багато інших сповільнювачів, як, наприклад, казеїн, різні сполуки лігніну і т. Д. Однак жоден із застосовуваних нині сповільнювачів не є ефективним на глибині 4800 м і більше.
Хоча в стандарті передбачається мінімальна міцність для повільно схоплюється тампонажного цементу класу Е, на практиці цей показник не відіграє суттєвої ролі. Наприклад, Фарріс показав, що мінімальна міцність на розтягнення повинна становити 0,56 кг / см2, а час, необхідний для отримання цієї міцності, в 3 рази більше того, що потрібно для додання цементному шламу в'язкості в 100 паузу. Для тампо- ційний цементу достатня така міцність, яка охороняє його від руйнування при видаленні цементної пробки або при спуску тиску в обсадної трубі.
Вирішальним показником при випробуванні повільно схоплюється тампонажних цементів є час загустіння. Для цього випробування створені різні прилади: Консистометри Каліфорнія Стандард (КС), Консистометри Халлібартон і Консистометри Станолінд. Перші два призначені для визначення загустевания цементної пульпи (40% води до ваги цементу) тільки в умовах підвищеного тиску. Консистометри Станолінд дозволяє вимірювати загустіння при підвищених тисках і температурах, що робить його більш ефективним в умовах проходження глибоких свердловин.
Тампонажні цементи призначаються для заповнення частково або повністю вільного простору між обсадної трубою і стінками свердловини, щоб попередити просочування води в нафтоносний шар і викиди нафти і газів, захистити обсадні труби від роз'їдає дії агресивних вод і закріпити обсадку, зменшивши тим самим напругу на сталеві труби.
Крім того, тампонажні цементи застосовуються для припинення доступу води в свердловину, для зменшення перемішування газу і нафти шляхом закупорки тріщин і пір в породі, а також для коригування помилок при перфорації обсадних труб на різному рівні. Вони можуть бути використані і для таких цілей, як заливка свердловини для зменшення її глибини, створення захисних шарів на нижній частині обсадної труби і закладення ушкоджень в обсадних трубах.