Утяжеленные тампонажные цементы и растворы

 

В последнее время для цементирования скважин с аномально высокими давлениями разработаны и изготовляются завод­ским способом утяжеленные цементы, представляющие собой тщательно приготовленную смесь вяжущего материала и утяжеляющей добавки.

Утяжеленный цемент для умеренно высоких температур (УЦГ) предназначен для цементирования скважин при температуре выше 100 °С. Вяжущей основой его служит портландцемент или тампонажный цемент по ГОСТ 1581-85, утяжелителем – измельченная железная руда, которая выбирается из-за ее относительно высокой плотности, а также способности Fe₂O₃ образовывать высокопрочные ферритные и алюмоферритные гидрогранаты, устойчивые в сульфатных водах.

Сроки схватывания растворов из цементно-рудной смеси определяются свойствами цемента и мало изменяются от добавки руды. Так, при температуре 20 °С начало схватывания раствора из чистого цемента 9 ч, а начало схватывания раствора из смесей цемент –руда 50 : 50 и 40 : 60 изменяется в пределах 8 ч 30 мин-9 ч. При температуре 75 °С характер изменения сроков схватывания аналогичен.

Прочность на сжатие цементного камня, твердевшего при нормальных условиях в течение 3 сут в воде с увеличением удельной поверхности и количества руды, пропорционально снижается с 2,2-3 до 1,5-1,1 МПа. При температуре 75 °С прочность утяжеленного камня с содержанием руды в смеси до 50-60 % увеличивается и достигает 3,2-5,8 МПа при изгибе и 7-12 МПа при сжатии, что достаточно для создания противодавления, превышающего пластовое, даже в условиях аномально высокого пластового давления (АВПД).

С увеличением температуры твердения до 120-200 °С резко возрастает прочность камня, достигая 22-38 МПа при сжатии и 5,8-10,9 МПа при изгибе.

Исследования показали, что смеси совместного и раздельного помолов цемента и утяжелителя по качеству равноценны. Для получения раствора плотностью 2060-2150 кг/м³ оптимальная удельная поверхность цемента должна быть 220-240 м²/кг. Чтобы получить раствор плотностью 2160-2250 кг/м³, необходим цемент более грубого помола с удельной поверхностью 200±10 м²/кг. При использовании в качестве вяжущей основы обычных шлаков плотностью 2850-2950 кг/м³ плотность утяжелителя должна быть не менее 4200 кг/м³. Желательно иметь утяжеляющую добавку плотностью 4500-4600 кг/м³. В этом случае можно получить композицию цемента, дающую раствор плотностью 2300-2400 кг/м³.

При температуре 70-80 °С цементы можно использовать без замедлителей сроков схватывания, так как начало схватывания в этих условиях не менее 2 ч. При 120 °С добавки 0,1-0,2 % ССБ и хромпика вполне достаточно для получения начала схватывания раствора 2-5 ч. Когда температура равна 200 °С, дозировка ССБ и хромпика должна увеличиваться до 0,3-0,6 %. Добавка ССБ и хромпика пластифицирует цементный раствор, в результате чего снижаются гидравлические сопротивления в процессе закачки раствора в скважину. Утяжеленные растворы имеют пониженное против обычных цементов водосодержание и, как правило, должны применяться с добавками пластификаторов.

Утяжеленные тампонажные цементно- и шлакобаритовые растворы. В некоторых районах в качестве утяжеляющей добавки к цементам используют немолотый магнетитовый песок. Введение магнетита дает возможность получить растворы высокой плотности.

При высоких температурах и давлениях водоотделение (характеризующее седиментационную устойчивость) цементно- и шлакобаритовых растворов на 20-30 % меньше, чем растворов, утяжеленных магнетитовым песком. Хорошая устойчивость утяжеленных баритом растворов объясняется большими дисперсностью и гидрофильностью баритовых частиц, чем магнетитовых. Образующиеся вокруг баритовых частиц сольватные оболочки способствуют их большой «плавучести» и, следовательно, седиментационной устойчивости системы.

При отсутствии специального утяжеленного цемента заводского производства для утяжеления тампонажных растворов лучше использовать технический барит, чем немолотый магнетитовый песок. Смеси с баритом предназначаются для цементирования нефтяных и газовых скважин с аномально высокими градиентами давлений при 20-200 °С. Для цементирования скважин с забойными температурами 20-100 °С рекомендуются смеси цемент – барит с массовым соотношением от 2 : 1 до 1 : 1, а для скважин с температурой 100-200 °С шлак – барит с таким же соотношением. Смеси состава 2 : 1 используются для получения тампонажного раствора плотностью 2000-2100 кг/м³, а состава 1 : 1 – плотностью 2100-2180 кг/м³.

Смеси цемент – барит (2 : 1 и 1 : 1) имеют удовлетворительную прочность камня при температуре 75 и 100 °С. Срок схватывания цементно-баритовых растворов регулируется добавками ССБ и хромпика или другими замедлителями.

Для цементирования высокотемпературных скважин с аномально высокими пластовыми давлениями в качестве вяжущих веществ можно использовать шлаки цветной металлургии, в частности отходы выплавки свинца и меди. Шлаки свинцового завода отличаются в 1,5-2 раза меньшей, чем у доменных гранулированных шлаков, основностью и высоким содержанием закиси железа. Последнее и является причиной высокой плотности шлака (3800-3900 кг/м³).

На заводе шлак подвергается грануляции, поэтому характеризуется высоким содержанием стекловидной фазы. При использовании его необходимо размолоть до удельной поверхности 210-300 м²/кг. Размалываемость свинцового шлака приблизительно такая же, как гранулированных доменных шлаков.

Плотность шлакового раствора зависит от удельной поверхности шлака. Так, при удельной поверхности 200 м²/кг плотность шлакового раствора без добавок с растекаемостью 18-19 см по конусу АзНИИ равна 2290 кг/м³, с удельной поверхностью 230 м²/кг –2250 кг/м³, а с удельной поверхностью 300 м²/кг – 2200 кг/м³. Гидравлическая активность свинцового шлака ниже, чем гранулированных доменных шлаков. При температуре 200 °С и давлении 50 МПа начало схватывания свинцового шлака наступает через 5 ч 30 мин. Замедлители сроков схватывания шлака – хромпик и смесь его с гипаном или ССБ. Утяжеленные шлаки, обработанные этими реагентами, имеют необходимые сроки схватывания до 250 °С.

Для применения шлакового раствора при температуре ниже 200 °С необходимо ускорить его твердение. Эффективными ускорителями являются кальцинированная сода, гранулированный доменный шлак, портландцемент. Шлаковые растворы с этими добавками можно использовать при температурах от 80 до 180-200 °С. Прочность шлакового камня на сжатие через 48 ч твердения достигает 20 МПа. Повысить ее при температуре 120-200 °С можно добавкой молотого кварцевого песка.

Механическая прочность на изгиб шлакового камня из шлака совместного помола высокая, лишь в 1,5-3 раза ниже прочности на сжатие. Механическая прочность смесей тяжелого шлака с кварцево-магнетитовым песком меньше, чем с кварцевым, так как магнетит менее активен, чем кварцевый песок. Плотность смеси из шлака и кварцево-магнетитового песка выше плотности смеси шлака с кварцевым песком.