Тампонаж скважины: что это такое, когда необходимо и технология тампонирования

Особенности тампонажного цемента

Раствор для тампонажных работ приготавливают из цемента со специфическими свойствами. Материал:

  • имеет тонкий помол;
  • затвердевает в короткие сроки, при этом смесь цемента с водой долго сохраняет текучесть, что позволяет ее свободно закачивать;
  • схватывается и затвердевает, несмотря на контакт с водой;
  • совместим с разнообразными добавками.

Монолитная конструкция, выполненная из тампонажного раствора, на протяжении многих лет сохраняет целостность и не теряет прочности благодаря устойчивости к влиянию окружающих сред, в том числе агрессивных.

Cостав

Основой для производства тампонажного цемента служит измельченный клинкер (от 80%) и гипс (2-3,5%). К ним добавляются различные минеральные вещества для приготовления рабочих смесей с заданными свойствами. Применяется несколько видов тампонажных растворов:

  • Гигроскопический. Добавкой служит триэтаноломин.
  • Песчанистый. К основному составу добавляют гипс, кварцевый песок.
  • Утяжеленный. В число утяжеляющих добавок входят железнорудные минералы (магнетит, гематит, шпальт).
  • Солестойкий. Тонкоизмельченный кварцевый песок, добавленный в раствор, позволяет создать материал, защищающий трубы от коррозии под воздействием грунтовых вод с высоким содержанием соли.

К специальным тампонажным портландцементам относят сульфатостойкую смесь, устойчивую к агрессивным средам.

В сложных геологических условиях, в том числе если в разрезе имеются пласты поглощающие или склонные к гидроразрыву, цементирование глубоких скважин осуществляется с использованием облегченных растворов. Облегченный тампонажный цемент изготавливается путем введения добавок, снижающих плотность состава – золы, трепела, диатомита, алюмосиликатных микросфер и т.д.

Читайте также: Крепление деревянных стоек к бетонному основанию. Секреты установки деревянных столбов

Тампонажный цемент - свойства и сферы применения

Еще ниже плотность легких тампонажных цементов, предназначенных для работ на большой глубине и для ремонта разрушенных участков оболочки. Такие материалы проще закачивать, они обладают высокой адгезией и хорошо сцепляются со старой цементной оболочкой трубы, способны заполнять пустоты и трещины. Добавками служит каолин, полые алюмосиликатные микросферы и т.д.

Отличие тампонажного и расширяющегося цемента. При цементировании скважин в пористых и рыхлых горных породах требуется создать оболочку из цементного камня, не склонного к усадке.

Расширяющийся цемент содержит добавки, благодаря которым в цементном растворе происходят химические реакции с образованием кристаллических продуктов. Таким образом, раствор в процессе застывания увеличивается в объеме, при этом получившийся камень имеет плотную структуру. Обычные тампонажные цементы не расширяются при твердении.

Изобретение относится к области строительства скважин, в частности к тампонажным растворам для цементирования обсадных колонн, а также хвостовиков дополнительных стволов нефтяных и газовых скважин.

Известны расширяющиеся тампонажные растворы (материалы) из расширяющихся цементов, а также тампонажные растворы, содержащие портландцемент тампонажный и порошок магнезитовый каустический [Данюшевский B.C., Алиев P.M., Толстых И.Ф. Справочное руководство по тампонажным материалам. — М.: Недра, 1987, с. 161-162. Каримов Н.Х., Данюшевский B.C., Рахимбаев Ш.М. Разработка рецептур и применение расширяющихся тампонажных цементов. Обз. информ. Сер. «Бурение». М.: ВНИИОЭНГ, 1980, с. 23].

Недостатками известных составов являются незначительное расширение тампонажного раствора и камня и низкая прочность контакта тампонажного камня с металлом обсадных труб и горными породами.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является расширяющийся тампонажный раствор с регулируемыми технологическими свойствами, содержащий жидкость затворения — воду, и основу, состоящую из портландцемента тампонажного, понизителя показателя фильтрации — гидроксиэтилцеллюлозы, пластификатора — поликарбоксилата, пеногасителя, расширяющей добавки, ускорителя времени загустевания и сроков схватывания — хлорида кальция. Основа дополнительно содержит алюмосиликатную пуццолановую добавку метакаолин, а в качестве расширяющей добавки — продукт совместного помола отхода доменного шлака и негашеной извести ДРС-НУ среднего химического состава, мас.%: CaO+MgO — 72-91; SiO2 — 7-23; Al2O3 — 0-4; Fe2O3 — 0-2,5; прочие примеси — 0-4,5; в качестве пеногасителя основа содержит полигликоль ПЛАСТЭК ПГ-07, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

а содержание воды в растворе обеспечивает водосмесевое соотношение с основой 0,48-0,64 (патент РФ №2452758 от 10.06.2012 г.). Данный раствор принят в качестве прототипа.

Признаки прототипа, совпадающие с признаками заявляемого изобретения, — жидкость затворения — вода; основа, состоящая из портландцемента тампонажного, гидроксиэтилцеллюлозы, пластификатора поликарбоксилата, полигликоля ПЛАСТЭК ПГ-07, хлорида кальция, алюмосиликатной пуццолановой добавки метакаолина и расширяющей добавки — продукта совместного помола отхода доменного шлака и негашеной извести ДРС-НУ среднего химического состава, мас.%: CaO+MgO — 72-91; SiO2 — 7-23; Al2O3 — 0-4; Fe2O3 — 0-2,5; прочие примеси — 0-4,5.

Недостатками известного тампонажного раствора являются низкие прочностные показатели и недостаточное линейное расширение у формирующегося цементного камня, что может привести к неплотному контакту цементного камня с горными породами и обсадной колонной.

Задачей изобретения является повышение прочностных характеристик цементного камня, получаемого из предлагаемого тампонажного раствора.

Поставленная задача была решена за счет того, что в известном расширяющемся тампонажном растворе с регулируемыми технологическими свойствами, содержащем жидкость затворения — воду и основу, состоящую из портландцемента тампонажного, гидроксиэтилцеллюлозы, пластификатора поликарбоксилата, полигликоля ПЛАСТЭК ПГ-07, хлорида кальция, алюмосиликатной пуццолановой добавки метакаолина, расширяющей добавки — продукта совместного помола отхода доменного шлака и негашеной извести ДРС-НУ среднего химического состава, мас.%:

согласно изобретению основа дополнительно содержит диабазовую муку при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
а содержание воды в растворе обеспечивает водосмесевое соотношение с основой 0,45-0,55.

Отличительные признаки заявляемого раствора от раствора по прототипу — основа дополнительно содержит диабазовую муку; а также иное количественное соотношение используемых ингредиентов мас.%: портландцемента тампонажного — 93,7-93,85; гидроксиэтилцеллюлозы — 0,15-0,23; пластификатора поликарбоксилата — 0,8-0,12; полигликоля ПЛАСТЭК ПГ-07 — 0,02-0,06; расширяющей добавки ДРС-НУ — 3,95-4,0; метакаолина — 0,45-0,54; диабазовой муки — 1,05-1,26; хлорида кальция — 0,45-1,0; содержание воды в растворе обеспечивает водосмесевое соотношение с основой 0,45-0,55.

Достижение указанного технического результата обеспечивается за счет определенного подбора ингредиентов (качественного и количественного) в заявляемом расширяющемся тампонажном растворе.

Благодаря введению в тампонажный материал понизителя показателя фильтрации гидроксиэтилцеллюлозы обеспечиваются пониженные показатели фильтрации, исключаются седиментационные процессы, в результате чего отсутствует водоотделение у получаемых тампонажных растворов.

Читайте также: Как класть первый венец бруса на фундамент

В качестве расширяющей добавки предлагается использовать продукт совместного помола доменного шлака и негашеной извести марки ДРС-НУ по ТУ 5744-002-44821376-2010 со средним химическим составом, мас.%: CaO+MgO — 72-91; SiO2 — 7-23; Al2O3 — 0-4; Fe2O3 — 0-2,5; прочие примеси — 0-4,5. Таким образом, в тампонажном растворе будет происходить так называемое оксидное расширение за счет повышенной концентрации в растворе оксидов кальция и магния.

Ввод указанной расширяющей добавки в тампонажный раствор позволит повысить линейное расширение тампонажного камня до 3,2%.

Ввод в заявляемый тампонажный раствор пластификатора — поликарбоксилата позволяет повысить его подвижность, что приводит к более полному заполнению затрубного пространства тампонажным раствором при проведении цементировочных работ.

Ввод в заявляемый тампонажный раствор пеногасителя — полигликоля марки ПЛАСТЭК ПГ-07 обеспечивает снижение пенообразования и удаления из раствора, вовлеченного при затворении воздуха, что оказывает влияние на плотность тампонажного раствора, кроме того, обеспечивает формирование плотного, малопроницаемого цементного камня, формирующегося при твердении, и нормальную работу цементировочного оборудования.

В качестве реагента ускорителя времени загустевания и сроков схватывания используется хлористый кальций. Подобранные концентрации указанного реагента позволяют получить тампонажный раствор без оказания отрицательного влияния на прочностные характеристики формирующегося расширяющегося цементного камня.

Лабораторные исследования показали, что ввод в тампонажный раствор метакаолина и диабазовой муки — реагентов, повышающих раннюю прочность и адгезию цементного камня, позволяет получить цементный камень с высокими показателями адгезии с сопредельными средами, а также высокие прочностные показатели уже на ранней стадии твердения 1-2 суток. Ранняя прочность тампонажного камня возрастает на 15…20%.

Для получения предлагаемого тампонажного раствора в лабораторных условиях были использованы следующие вещества:

— портландцемент тампонажный марки ПЦТ IG-СС-1;

— гидроксиэтилцеллюлоза марки Natrosol HHR по ТУ 2231-001-21095737-05;

— пластификатор на основе поликарбоксилата ПЛАСТЭК С7/531 по ТУ 5745-001-54801883-2008 (изготовитель ООО «ТехНоосфера»);

— ускоритель времени загустевания и сроков схватывания хлорид кальция;

— полигликоль ПЛАСТЭК ПГ-07 по ТУ 5745-001-54801883-2008 (изготовитель ООО «ТехНоосфера»);

— метакаолин — аллюломосиликатная пуццолановая добавка марки МЕТАСЕМ 85С, характеризуется следующими показателями: порошок от кремового до бежевого цвета; удельная поверхность — 15 м2/г; пуццолановая активность — более 1000 мг Ca(OH)2/г; плотность — 2,5 г/л; насыпная плотность — 300÷400 г/л; — (по импорту, производство Индия);

— диабазовая мука по ТУ 5716-001-41257914-2009;

— расширяющая добавка на основе оксидов кальция и магния марки ДРС-НУ по ТУ 5744-002-44821376-2010 (изготовитель ООО «НИКОЙЛ») со средним химическим составом, мас.%: CaO+MgO — 72-91; SiO2 — 7-23; Al2O3 — 0-4; Fe2O3 — 0-2,5; прочие примеси — 0-4,5;

Читайте также: Проволока вязальная ГОСТ 3282-74 цены в г. Москва.

— вода техническая.

Возможность осуществления заявляемого изобретения подтверждается следующим примером.

Пример.

Для получения заявляемого тампонажного раствора в лабораторных условиях брали 937,0 г портландцемента тампонажного; 1,7 г гидроксиэтилцеллюлозы; 4,5 г метакаолина; 10,5 г диабазовой муки; 40 г расширяющей добавки на основе оксидов кальция и магния; 0,3 г пеногасителя ПЛАСТЭК ПГ-07; 1,0 г пластификатора ПЛАСТЭК С7/531; 5 г хлорида кальция. В результате была получена основа тампонажного раствора со следующим содержанием ингредиентов, мас.%: портландцемент тампонажный 93,7; гидроксиэтилцеллюлоза марки НАТРОСОЛ HHR 0,17; метакаолин 0,45; диабазовая мука 1,05; расширяющая добавка ДРС-НУ 4,0; пеногасителя ПЛАСТЭК ПГ07 0,03; пластификатор ПЛАСТЭК С7/531 0,10; хлорид кальция 0,5.

Далее из указанной основы готовили тампонажный раствор путем затворения ее на технической воде при водосмесевом отношении 0,49, т.е. при этом брали 1000 г основы и затворяли ее в 490 г воды.

Тампонажные растворы с другим содержанием компонентов готовили аналогичным образом.

В преимущественном варианте приготовления предлагаемого тампонажного раствора ускоритель сроков схватывания — хлорид кальция, пластификатор ПЛАСТЭК С7/531 и пеногаситель ПЛАСТЭК ПГ07 рекомендуется предварительно растворять в жидкости затворения — воде.

В ходе лабораторных испытаний определяли по общеизвестным методикам следующие свойства заявляемого тампонажного раствора: плотность, растекаемость, показатель фильтрации, водоотделение; а также определяли следующие свойства цементного камня: линейное расширение; предел прочности при изгибе; усилие выталкивания образцов.

Данные об ингредиентном составе исследованных тампонажных растворов приведены в таблице 1. А данные о свойствах тампонажных растворов, затворенных по заявляемой рецептуре и по известной рецептуре, приведены в таблице 2.

Как видно из данных таблицы 2, предлагаемые тампонажные растворы характеризуются улучшенными значениями показателей основных технологических свойств по сравнению с прототипом:

— наличием большего расширения цементного камня;

— повышенной адгезией цементного камня с сопредельными средами;

— повышенной прочностью при изгибе.

Благодаря указанным свойствам, заявляемые тампонажные растворы позволят в промысловых условиях более полно вытеснять буровой раствор тампонажным, получить герметичную крепь обсадной колонны в стволе скважины за счет формирования прочного цементного камня, имеющего за счет расширения сплошной контакт как с обсадными трубами, так и с горными породами.

* Состав указанной расширяющей добавки, мас.%:

— в примере 1: CaO+MgO — 83,4; SiO2 — 12,3; Al2O3 — 1,5; Fe2O3 — 0,7; прочие примеси — 2,1,

— в примере 2: CaO+MgO — 82,8; SiO2 — 12,6; Al2O3 — 2,2; Fe2O3 — 0; прочие примеси — 2,4,

— в примере 3: CaO+MgO — 89,7; SiO2 — 7,9; Al2O3 — 0; Fe2O3 — 1,9; прочие примеси — 0,5.


Расширяющийся тампонажный раствор с регулируемыми технологическими свойствами, содержащий жидкость затворения — воду и основу, состоящую из портландцемента тампонажного, гидрооксиэтилцеллюлозы, пластификатора поликарбоксилата, полигликоля ПЛАСТЭК ПГ-07, хлорида кальция, алюмосиликатной пуццолановой добавки метакаолина и расширяющей добавки — продукта совместного помола отхода доменного шлака и негашеной извести ДРС-НУ среднего химического состава, мас.%: отличающийся тем, что основа дополнительно содержит диабазовую муку при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: а содержание воды в растворе обеспечивает водосмесевое соотношение с основой 0,45-0,55.

Маркировка тампонажного цемента

Тампонажный цемент производится в соответствии с ГОСТ 1581-96. Материал имеет маркировку ПТЦ (портландцемент). В зависимости от характеристик и свойств, тампонажный цемент бывает:

  • Бездобавочным (I, I-G, I-H), с добавлением минеральных веществ (II), с примесями, регулирующими плотность состава (III).
  • Утяжеленным (Ут), облегченным (Об);
  • Для применения при низких и нормальных (15-50°С), умеренных (51-100°С) и повышенных (101-150°С) температурах;
  • Обычным и сульфатостойким (СС).

В стандартной маркировке указывается тип цемента, его сульфатостойкость, средняя плотность, максимально допустимая температура применения, степень пластификации (ПЛ) или гидрофикации (ГФ), номер ГОСТа.

Рабочие характеристики зависят от марки тампонажного цемента и особенностей его изготовления. В таблице ниже приведены пределы, в которых могут варьироваться показатели материала.

Наименование показателя, ед.измерения Возможный диапазон, численное значение
Прочность на сжатие через 8 ч, Мпа При твердении при температуре 38°С – 2,1 60 °С – 10,3
Прочность на изгиб, МПа От 0,7 до 3,5 в зависимости от марки ПЦ
Тонкость помола:
Остаток на сите с сеткой №008, %, не более

Удельная поверхность, м2/кг

10-15

230-270

Читайте также: Использование коронок по бетону для монтажа подрозетников

Водоотделение, мл, не более 7,5-10
Растекаемость теста, мм, не менее Для непластифицированного – 200
ПЛ – 220
Время загустевания до консистенции 30, мин, От 90

Данные характеристики тампонажного цемента приводятся в сертификате на продукцию вместе с информацией о дате изготовления и объеме партии материала.

Маркировка

По приведенным признакам тампонажного портландцемента (ПЦТ) можно расшифровать маркировку пакета. На примере ПЦТ III-Об 5-100-ГФ ГОСТ 1581-96:

ПЦТ – портландцемент тампонажный; III-Об – третий тип уплотненного вяжущего облегченный; 5 – марка прочности тампонажного цемента. Определяется производителем; 100 – температура монтажа и эксплуатации, умеренный тип; ГФ – гидрофобизированное вяжущее, стойкое к воде; ГОСТ 1581-96 – нормативный документ.

Сферы применения

Применение тампонажного цемента обусловлено его главным качеством: материал имеет высокие показатели прочности с самого начала затвердевания. Данный вид цемента в первую очередь предназначен для тампонирования нефтегазовых скважин. В процессе цементирования одновременно вытесняется буровая смесь.

Тампонажный цемент - свойства и сферы применения

Тампонажный цемент для скважин закачивается с помощью насосного оборудования – чтобы обеспечить текучесть раствора объем воды должен превышать объем сухих компонентов в два раза. Получившаяся масса (пульпа) характеризуется высокой подвижностью, после затвердевания она образует плотный монолит, не склонный к усадке, между обсадной трубой и стенками скважины. При этом материал плотно сцеплен как с трубой, так и со стенками пробуренного в горных породах ствола.

Цементная оболочка служит защитой обсадной трубы от сдвижек пластов, от контакта с грунтовыми водами, агрессивными газообразными средами. Тампонажный цемент применяется для укрепления дна скважины и сокращения ее глубины, для устранения повреждений самой обсадной колонны.

В строительстве данный вид цемента практически не используется. Исключением служит применение тампонажного цемента для фундамента из буровых свай, которые устанавливаются на сложных грунтах.

Область и технология применения

Отличительной особенностью тампонажного цемента является высокая степень крепости с самого начала затвердения. Это качество и обусловило главную сферу применения данного материала — цементирование (либо тампонирование) нефтегазовых скважин при одновременном вытеснении буровой смеси. В жилищном строительстве этот вид цемента не применяется. Исключение составляет установка буровых свай в сложных условиях.

Тампонажный цемент закачивается насосами, поэтому раствор используют в достаточно жидком виде: к сухой цементной смеси добавляется вода в пропорции 2:1. После затворения большими объемами жидкости цемент преобразуется в подвижную массу, именуемою пульпой, ее и закачивают в скважину. По окончании этапа транспортировки масса затвердевает и становится безусадочным плотным монолитом, который хорошо скреплен со стенками ствола скважины и обсадной трубой.

Цементирование скважины тампонажным раствором

Полученный слой надежно защищает от грунтовых вод, либо сдвижек пластов разной плотности. Учитывая свойства грунта, заполнение бывает либо полным, либо частичным. Кроме обеспечения защиты, тампонажный цемент может сократить глубину и укрепить дно скважины, а также ликвидировать повреждения на обсадных колоннах.

Подбор каждой конкретной марки ПЦТ осуществляется с учетом условий использования и глубины скважины. Бурение на болоте или в песчаном грунте, либо закладка скважин глубже 2000 м предполагает применение облегченных видов (в данной ситуации — рекомендована марка ПЦТ-III-об-5-100).

Важное значение при работе с ПЦТ имеет температура в шахте. При высокой температуре, пульпа затвердевает в период от 90 минут до 10 часов. Более горячая температура способствует быстрейшему схватыванию раствора. При использовании в холодной скважине (либо если материал применяется для гидроизоляции при возведении сооружений зимой) затвердение начинается по истечении 120-180 минут и может завершиться через двадцать часов. Более длительный период застывания у солестойкого цемента.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий
Adblock
detector