Тампонажный цемент – свойства и сферы применения

Тампонажный цемент: классификация и применение

Тампонажный цемент – это разновидность портландцементов, предназначенная для изоляции труб нефтяных и газовых скважин и их защиты от давления грунтовых вод, сдвижек грунтовых пластов, негативного воздействия агрессивных сред. При затвердевании цементный раствор образует монолитную рубашку, непроницаемую для жидкостей и газов. Материал крепко сцепляется с металлической трубой и со стенками ствола, пробуренного в горной породе. Применение тампонажного цемента создает условия для безопасной эксплуатации скважин и продлевает их рабочий период. В традиционном строительстве этот вид портландцемента не используется. Исключение – устройство фундамента из буровых свай в сложных геологических условиях.

Состав и специфические особенности тампонажного цемента

В состав тампонажного цемента входят:

• клинкер – до 80 %;
• гипс – 3-5 %;
• добавки, придающие смесям заданные свойства.

Базовый состав клинкера такой же, как и у обычного портландцемента, но к его компонентам предъявляются повышенные требования. Для применения в холодных скважинах содержание трехкальциевого алюмината в клинкере должно находиться в пределах 10-13 %, алита – примерно 50 %. Для «горячих» скважин необходим клинкер с минимальным количеством трехкальциевого алюмината.

Для тампонажного цемента характерны: тонкий помол, быстрое твердение, способность твердеть даже в воде, хорошая совместимость с добавками разной функциональности.

Виды тампонажных цементов

Для изоляции буровых скважин, предназначенных для нефте- и газодобычи, применяют различные виды тампонажных цементов:

• Гигроскопический. К традиционным сырьевым компонентам добавляют триэтаноламин. Это бесцветная жидкость, относящаяся к слабым основаниям.
• Облегченный. Получить составы невысокой плотности позволяют зола, трепел и другие низкоплотные добавки.
• Утяжеленный. В качестве утяжеляющих добавок используют железорудные минералы.
• Песчанистый. В основные компоненты сырьевой смеси добавляют гипс и кварцевый песок.
• Солестойкий. В смеси присутствует тонкодисперсный кварцевый песок. Такой материал защищает металлические трубы от возникновения и развития очагов коррозии при воздействии на металл грунтовых вод с высоким содержанием солей.

Когда применяют облегченный и утяжеленный тампонажный цемент?

Введение специальных добавок позволяет получать облегченный и утяжеленный тампонажный цемент.

Облегченный

Облегченные растворы востребованы при обустройстве глубоких скважин в сложных геологических условиях, в которых высока вероятность гидроразрывов. Плотность цементного раствора снижают – диатомит, трепел, зола, алюмосиликатные микросферы. Для ремонта оболочки применяют наименее плотные составы, которые получают введением в сырьевую смесь каолина и алюмосиликатных полых сфер. Такие растворы легко закачивать, они обладают прекрасной адгезией к старой оболочке, хорошо заполняют трещины и пустоты.

Утяжеленный

Этот тип ТПЦ используют для цементирования высокотемпературных скважин. В качестве утяжелителя применяется специальный железорудный концентрат. Сроки схватывания цементно-рудных смесей мало зависят от количества утяжеляющей добавки и определяются только свойствами самого ТПЦ. В такие растворы обычно вводят пластификатор, в качестве которого применяют ацетально-спиртовый стабилизатор.

Классификация и маркировка

В соответствии с ГОСТом 1581-96 ТПЦ разделяют на типы:

• I – бездобавочный;
• I-G – бездобавочный с нормированными требованиями, водоцементное соотношение в таких смесях составляет 0,44;
• I-H – бездобавочный с нормируемыми требованиями, водоцементное соотношение – 0,38;
• II – с минеральными добавками;
• III – со специальными добавками, влияющими на плотность цементного теста. По плотности теста вяжущее типа III разделяют на облегченное (Об) и утяжеленное (Ут).

По температуре эксплуатации тампонажные цементы разделяют на следующие типы:

• для пониженных и нормальных температур – +15…+50 °C;
• для умеренных температурных условий – +51…+100 °C;
• для повышенных температур – +101…+150 °C.

Типы вяжущего по сульфатостойкости:

• обычное – используется в условиях, в которых требования по сульфатостойкости не предъявляются;
• сульфатостойкое – СС, высокой сульфатостойкости – СС1, умеренной сульфатостойкости – СС2.

В условном обозначении тампонажного цемента в соответствии с ГОСТом указывают:

• буквы ПЦТ – портландцемент тампонажный;
• тип – I, I-G, I-H, II, III;
• уровень сульфатостойкости;
• среднюю плотность для вяжущего типа III – Об или Ут;
• самую высокую температуру, при которой может эксплуатироваться продукт, изготовленный на базе этого цемента;
• наличие гидрофобизирующих или пластифицирующих добавок – ГФ или ПЛ;
• обозначение ГОСТа, требованиям которого соответствует тампонажный портландцемент.

Основные технические характеристики и особенности выбора

Технические свойства тампонажных цементов в зависимости от их состава изменяются в широких пределах, что позволяет выбрать подходящий вариант для конкретных условий применения.

Основные технические показатели:

• удельная насыпная плотность – 800-1200 кг/м 3 ;
• насыпная поверхность (зависит от крупности помола, состава клинкера, номенклатуры добавок) – 250-1500 кг/м 2 ;
• водоцементное соотношение – 0,35-0,45;
• прочность – 27-62 кг/см 2 , этот показатель определяют на вторые сутки после заливки раствора, в возрасте 28 дней тампонажные составы не тестируют.

При выборе подходящего типа ТПЦ учитывают:

• глубину скважины и температуру в ней;
• свойства геологических пластов;
• количество и состав солей в грунтовых водах.

Обеспечить полное соответствие требованиям ГОСТа может только свежий тампонажный цемент, при хранении которого были соблюдены нормативные условия.

Тампонажный цемент – свойства и сферы применения

Одна из разновидностей портландцемента — тампонажный цемент. Этот вид портландцемента можно использовать в широчайшем диапазоне при проведении тампонажных работ. Он занимает одно из важнейших мест благодаря хорошему сочетанию технических и строительных свойств.

Что же это за материал и чем он отличается от привычного всем цементного раствора? Об этом – далее.

Состав и особенности

Тампонажный цемент представляет собой вяжущий состав, который почти не имеет отличий от портландцемента. Однако присутствуют повышенные требования к содержанию клинкера. В тампонаже доля клинкера может достигать 100%. Обязательная примесь — до 3,5% молотого гипса.

Чтобы улучшить свойства материала, можно дополнять его различными минеральными элементами, которые в сумме будут составлять не более 12% от общей массы. Должно быть не больше 10% известняка, шлаков — до 20%.

Условия, нормы веществ и предназначение для тампонажного цемента записаны в ГОСТ 1581. Тип веществ определяется процентной долей огнеупорных примесей и остальных компонентов. Рецепт готового цемента может варьироваться в зависимости от производителя.

Читайте также: 6 грубых ошибок укладки плитки на газобетон и пеноблоки (разговор плиточника с клиентом)

Особенности тампонажного цемента:

• мельчайший помол;
• ускоренный процесс затвердевания;
• повышенная механическая прочность и жесткость;
• при разбавлении водой консистенция отличается от таковой у других видов цемента.

К показателю текучести есть повышенные требования в строительных нормах и правилах. Скорость перемещения раствора цемента должна достигать 1,5 м/с при небольших размерах технологических отверстий. Из-за чрезвычайно высокого давления в местах использования такого состава песок, арматура, опалубка, щебень не добавляются. Поэтому вяжущее является единственным компонентом.

Особенности применения такого состава обусловливают высокие требования к нему как к строительному материалу. Он должен понижать оказываемое давление на трубопровод или другую часть, которая подвергается изоляции. Кроме того, тампонажный раствор должен обладать большей скоростью застывания, которая достигается за счет ввода различных добавок во время изготовления.

Цементы

Общее понятие о тампонажном цементе

Под термином цемент подразумеваются вяжущие составы, используемые в строительстве совместно с наполнителями – песком и щебнем. При затворении цемента водой получается пластичная масса, затвердевающая до состояния камня.

Тампонажный цемент (портландцемент), при производстве которого тонко измельчают клинкер и гипс, принадлежит к категории портландцемента для цементирования газовых и нефтяных скважин. Производители предлагают два вида тампонажного цемента, отличающиеся температурным режимом применения: для низкой температуры от +15 до +50°С (марка ПЦТ-I-50) и для умеренной температуры от +50 до +100°С (марка ПЦТ-I-100).

Аббревиатура бездобавочного тампонажного цемента

Для примера расшифруем аббревиатуру тампонажного цемента марки ПЦТ-I-50: ПЦТ обозначает «портландцемент тампонажный», I — «бездобавочный», цифра 50 (как вариант – 100) отображает температурный режим (для низких или умеренных температур).

Тампонажный цемент ПЦТ-I-50

Бездобавочный портландцемент тампонажный ПЦТ-1-50 для низких температур используется с целью изоляции газовых и нефтяных скважин от воздействия грунтовых вод в температурном диапазоне от +15 до +50°С, а также при выполнении общестроительных работ (кроме гидротехнических сооружений).

Цемент тампонажный ПЦТ-I-100, ПЦТ-II-100

Цемент(портландцемент) ПЦТ I-100, ПЦТ II-100, предназначен для изоляции нефтяных и газовых скважин от действия грунтовых вод при температуре от 51 до 100°С для общестроительных работ, за исключением гидротехнических сооружений.

Цемент тампонажный ПЦТ-I-G-CC-1

Низкое содержание алюминатов кальция и щелочных соединений наделяет этот цемент высокой коррозионной стойкостью, благодаря чему он применяется для крепления глубоких и сверхглубоких нефтяных и газовых скважин при повышенных температурах и давлениях. Он обеспечивает высокую прочность, газо- и водонепроницаемость даже при наличии в тампонажном растворе большого количества заполнителей и минеральных компонентов.

Упаковка, хранение и отгрузка цемента тампонажного

Упаковка цемента производится в МКР по 1 тн со вкладышем. Отгрузка навалом обсуждается в каждом случае индивидуально. Хранится цемент тампонажный на крытом складе на паллетах. Отгрузка цемента тампонажног производится авто и жд транспортом, по России, странам СНГ и странам дального зарубежья.

ООО ПКФ «ВППК» предлагает следующие виды цемнтов к поставке.

• Цемент тампонажный ПТЦ I-50
• Цемент тампонажный ПТЦ I-100
• Цемент тампонажный облегченный ПЦТ 3(об) 4-50
• Цемент тампонажный ПЦТ I-G-CC-1

Основные технические характеристики

Они будут зависеть от типа вяжущего вещества, производителя и наличия или отсутствия добавок.

1. Механическая прочность спустя 8 часов достигает 2,1-10,3 МПа в зависимости от температуры. Максимальный показатель наблюдается при 60 °С.
2. Жесткость на изгиб варьируется в диапазоне 0,7-3,5 и зависит от производителя и марки.
3. Остаточная масса на сите с сетью №0,08 — не более 15%.
4. Удельная поверхность — не больше 270 м²/кг.
5. Показатель отделения влаге не должен превышать 10.
6. Растекаемость под действием влаги варьируется в зависимости от вида. Непластифицированный тампонажный цемент может растекаться со скоростью до 200 мм. Пластифицированный — до 220.
7. Состав застывает до консистенции 30 за 90 минут и больше.

Все характеристики должны быть приведены в пометке изготовителя вместе с информацией о дате производства. Портландцемент теряет свойства через полгода или под действием воздуха.

Скорость затвердевания будет зависеть от температурных показателей в скважине и процента щелочных веществ в составе. Если температура превышает 60 °С, время застывания может меняться.

Классификация тампонажных цементных смесей

Все требования, которые предъявляются к такому виду цемента, нормированы по ГОСТу. Существует несколько видов цемента в зависимости от характеристик.

Согласно показателям плотности условно выделяют 2 типа:

1. Облегченный тип — нормальная смесь.
2. Утяжеленный, содержащий примеси, увеличивающие массу.

В зависимости от температурного режима есть такие типы:

Номенклатурное наименование	Диапазон температур, °С
Низкие и нормальные	15-50
Умеренные	51-100
Повышенные	101-150

Виды составов по степени устойчивости веществ к химикатам, которые содержатся в грунтовых водах:

• без повышенной устойчивости;
• устойчивые к сульфатам, включающие специальные добавки.

Классификация.

Для некоторых типов выделяют 2 уровня устойчивости к сульфатам: умеренный и повышенный.

По состоянию цементного теста материал разделяют на:

1. Непластифицированный;
2. Гидрофобизированный.

Специфические особенности

То, чем отличается от портландцемента тампонажный цемент, – состав: для его изготовления в измельченную клинкерную основу с гипсом вносят определенные добавки.

Для нефтяных и газовых скважин изготавливаются разные типы смесей, которые разделяются на следующие подвиды:

1. Гигроскопический. Для получения материала в сухую массу вводят гидрофобизатор триэтаноламина.
2. Утяжеленный. Для изготовления смешивают цементный клинкер с гипсом и утяжеляющими добавками. Таковыми может служить железная руда в виде тяжелых шпальтов, гематитов, магнетитов.
3. Песчанистый. Для получения материала этого подвида в смесь добавляют кварцевый песок с гипсом. Количество компонентов не должно быть больше 50 % для «горячих» скважин и меньше 20 % для «холодных».
4. Солестойкий. Используется там, где соли в грунтовых водах имеют высокую концентрацию. Это приводит к возникновению коррозии, но добавление тонкоизмельченного кварцевого песка устраняет это недостаток.

Технические характеристики каждого вида зависят от пропорций и свойств компонентов. Таковыми могут выступать кварцевый песок, минеральные вещества, известняк, шлак.

Маркировка и ее расшифровка

Каждый вид тампонажного цемента обладает собственным номенклатурным наименованием, которое соответствует свойствам.

Маркировка тампонажа состоит из 5 обозначений:

1. ПЦТ — тампонажный портландцемент.
2. Тип вяжущего и пометка об облегченном или утяжеленном составе.
3. Третье числовое значение соответствует уровню прочности изделия. Этот показатель определяется изготовителем.
4. Следующее число определяет уровень температур и состояние цементного теста. Например, 150-ПЛ — для работы с повышенными температурами. Пластифицированное тесто.
5. Последняя пометка — нормативный акт, которому соответствует произведенный продукт.

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.

Добавки для улучшения тампонажных растворов

Чтобы улучшить эксплуатационные качества раствора, можно использовать дополнительные добавки:

1. Хлорид кальция и карбонат натрия ускоряют время схватывания цемента. При добавлении в жидкость получается смесь быстрого схватывания, может применяться при температурных показателях до 65 °С. Для расширительных свойств добавляют до 30% гипсоглиноземистого цемента.
2. Если добавить гипс, существенно сокращается срок затвердевания, в результате камень с повышенной прочностью формируется спустя 3-4 часа после закачки раствора. Чтобы не допустить застывания в самих бурах, добавляются ингибиторы процесса.
3. Бентонит повышает начальную подвижность раствора, что особенно важно при его закачке.
4. Составы с включением глины дополнительно улучшают вязкость материала во время его продавливания, что позволяет обеспечить последующее затвердение раствора с повышением пластической прочности.
5. Цементно-смолистый состав с добавлением пластических веществ, в основном эпоксидных алифатических смол, применяется, если рядом со скважиной расположены водоносные пласты.
6. Если требуется закачать раствор на глубину более 100 м, добавляют дизтопливо. Цемент полностью инертен к органическим углеводородам, а раствор становится намного более вязким. Прочность приобретается после того, как углеводороды заменятся водой.

Технология и область применения

Этот вид цемента не участвует в строительстве жилых зданий из-за слишком быстрого застывания. В основном используются такие бетонные блоки в нефтегазовых скважинах. Раствор можно применять для заливки свай в сложных условиях.

Он заливается полностью за счет воды при помощи специальных помп, жидкость добавляется к составу в соотношении 2:1. Затем, когда цемент станет подвижным тестом (это состояние, которое получило название «пульпа»), можно закачивать его в отверстие. После полного затвердевания материал становится монолитным и надежно защищает от грунтовых вод.

Технология применения

Поскольку тампонажный цемент приходится заливать не вручную, а закачивать насосами, массу делают достаточно жидкой. Для этого на 2 части сухой смеси добавляют 1 часть воды. Полученная масса называется пульпой. Если температура высокая, пульпа может затвердеть уже за 1,5-10 часов. Чем выше температура, тем быстрее схватится цемент тампонажный. Применение в холодных скважинах (или если масса используется при гидроизоляционных работах на возведении зданий в холодное время года) приводит к тому, что процесс затвердения начнется через 2-3 часа и завершится часов через 20-22. Дольше всего застывает солестойкий цемент.

Показатель прочности на изгиб через двое суток после полного застывания таков:

1. Если отсутствует нагрев – приблизительно 62 кГ/см.
2. Если температура стабильно высокая — 27 кГ/см.

Но это только в том случае, если использовался качественный тампонажный цемент. Как проверить его качество? Есть очень простой и надежный способ – выполнить пробу через сито. Для этого нужно тщательно просеять через сито немного сухого порошка. Если в сите осталось ¾ части от начального объема, материал качественный. Можно проверить и на глазок, но это могут сделать лишь те, кто имеет большой опыт работы с тампонажным цементом. В противном случае придется доверять продавцу. Но при этом стоить обратить внимание и на состав сухой смеси – количество гипса не должно быть больше чем 3,5 %.

Тампонажный цемент: характеристики и применение

Этот строительный материал является разновидностью портландцемента. Состав предназначен для выполнения работ по изоляции скважин от давления грунтовых вод при добыче нефти и газа. Он обладает хорошими техническими и строительными характеристиками. Требования к такому цементу определены государственными стандартами 1581-96.

Состав

В состав тампонажного цемента входит измельченная основа клинкера с гипсом. Применяют и компоненты, которые воздействуют на определенные свойства материала. На рынке представлены различные подвиды раствора для нефтяных и газовых скважин:

1. Песчанистые. В состав смеси входит кварцевый песок с гипсом. Соотношение компонентов для «холодных» скважин — 20%. Для «горячих» — 50%.
2. Гигроскопический с добавкой триэтаноламина.
3. Солестойкий. Применяется в местах с высокой концентрацией солей в грунтовых водах. Кварцевый песок, входящий в состав цементного раствора, предупреждает появление коррозии.
4. Утяжеленный. При производстве перемешивают клинкер и утяжеляющие добавки: железную руду в форме магнетитов, гематитов, шпальтов.

В горячей скважине цемент затвердевает быстрее, характеризуется повышенной прочностью благодаря низкому проценту СзА.

По химико-минералогическому составу тампонажный цемент схож с портландцементом. Но минералогическая клинкерная основа на разных производствах отличается. Клинкеры для холодных скважин обладают следующими характеристиками:

1. Высоким содержанием трехкальциевого силиката (57-60%) при низкой концентрации СзА (4-7%). Тонко измельченный клинкер обеспечивает высокую активность цемента на стадии отвердевания и необходимую скорость схватывания.
2. Повышенным содержанием трехкальциевого алюмината (12-13%). Это способствует быстрое схватывание и затвердевание состава.

Тампонажный цемент, затворенный водой на 50%, дает подвижную пульпу, которую накачивают насосами в скважины. Нужно, чтобы твердый камень из портландцемента обладал высокой начальной прочностью. Чтобы регулировать сроки застывания, в состав включают гипс. Его дозировку подбирают исходя из компонентов клинкерной основы и степени помола.

Тампонажный портландцемент обладает рядом особенностей:

• водостойкость — возможность застывания под водой;
• сочетание с различными наполнителями;
• быстрое затвердевание.

Вне зависимости от условий окружающей среды он сохраняет свою целостность и прочность длительное время.

Маркировка

На пакетах со строительным составом указаны обозначения типа: ПЦТ III-Об 5-100-ГФ ГОСТ 1581-96. По этим показателям определяется маркировка:

• ПЦТ — портландцемент тампонажный;
• III-Об — третий вид уплотнителя облегченного, вяжущего;
• 5 — показатель прочности;
• 100 — температура для укладки и использования, тип умеренный;
• ГФ — гидрофобизированное вяжущее, устойчивое к влаге;
• ГОСТ 1581-96 — стандарт, установленный государством.

Производство материала должно производиться строго по ГОСТу и техническому регламенту.

Параметры

Тампонажный цемент по своему составу классифицируются на различные виды:

• песчанистые (П50);
• с добавками (Д20);
• без добавок (Д0);
• с добавками (утяжеляющими или облегчающими), регулирующими плотность смеси.

По плотности цементного раствора выделяют:

• утяжеленный (У);
• облегченный (О);
• с нормальной плотностью.

По температуре использования:

• для высоких (150);
• низких и нормальных (50);
• умеренных (100).

По степени сульфатостойкости:

(ССТ);
• обыкновенный (требований не устанавливают).

Производитель гарантирует соответствие портландцементов принятым государственным стандартам при соблюдении условий транспортировки и хранения в упаковке.

Основные технические характеристики

Свойства тампонажного портландцемента строго регламентированы государственным стандартом, которым должны руководствоваться производители вяжущей смеси.

Основными техническими показателям ТП по ГОСТу 26798.1-96 являются:

• Удельная насыпная плотность — 800 -1200 кг/м.
• Насыпная поверхность — 250-1500 м2/кг (зависит от тонкости помола, минералогического состава раствора и добавок, включенных в раствор).
• Подвижность около 18-25 см при в/ц=0,5. Нижний уровень — 16 см, когда смесь сохраняет пластичность.
• Водосодержание — 0,35 -0,4 (практически). Теоретически — 0,2 — 0,25. Чтобы получить пластичный раствор, нужно добиться 18 см расплыва материала по АзНИИ-конусу. Это означает, что для каждой партии цемента и раствора количество жидкости больше нормы.
• Сроки схватывания на начальной стадии — не раньше 1 часа 45 минут. Окончание затвердевания — не позднее 10 часов.
• Прочность — 27-62 кг/см2.
• Усадка — не допускается.
• Водоотделение — не больше 7,5-10 мл.

Указанные технические характеристики должны содержаться в сертификате наряду со сведениями о партии и дате изготовления.

Как и у обыкновенного, у тампонажного сохраняются все свойства в течение 6 месяцев. Активность раствора теряется при взаимодействии с влагой и контакте с открытым воздухом. Сроки затвердевания после затворения жидкостью зависят от температурного режима в скважине, количества натрия хлора, хлористого калия в составе смеси. Если температура выше 60 °С, диапазон колеблется от 10 минут до 10 часов. Если ниже — от 2 до 12 часов.

Области применения

Главное назначение строительного материала — тампонирование нефтяных и газовых скважин. При бурении температура горных пород сильно воздействует на статическое напряжение сдвига, водоотдачу и вязкость раствора для бурения. Чем больше температура горных пород, тем труднее удерживать заданные параметры на уровне. При серьезной разности температур требуется применение тампонажного портландцемента.

Процесс представляет собой заделку цементным раствором пространства между обсадной трубой и стенками. Когда состав затвердеет, полученная прослойка будет способствовать надежной защите от грунтовых вод. Заполнять свободное пространство можно частично или полностью, принимая во внимание параметры грунта.

Тампонажный цемент при жилом строительстве не применяется. Исключение — закладка буровых свай под фундамент в тяжелых условиях.

Применение

Тампонажный цемент не заливают вручную. Его закачивают с помощью насосов. Поэтому состав должен быть жидким — 1 часть воды на 2 части сухого порошка. Полученную субстанцию называют пульпой. Зазор между стволом скважины при глубине на сотни и тысячи метров должен быть 15-50 мм. Требования к цементному составу строгие: сохранение первоначальной подвижности при скорости поступления в шахту около 1,5 м/с. Когда процесс завершится, прочность будет возрастать.

Высокие показатели твердости обеспечиваются, если использован качественный цемент. Чтобы в этом убедиться, крошку просеивают через сито. Если порошка осталось на 3/4, то состав считается высококачественным.

Таким образом, тампонажный цемент — продукт, получаемый путем измельчения цементного клинкера гипса и различных добавок. Смесь используется для цементирования нефтяных и газовых скважин для защиты свободного пространства между обсадной колонной и стволом скважины от воздействия подземных вод. В сфере строительства его не применяют. Раствор реализуют навалом и в мягких мешках весом 50 кг.

Тампонажный цемент в строительстве: что это такое, где применяют, состав, технические характеристики

Тампонажный цемент представляет собой один из видов структурных материалов. Это разновидность портландцемента. Материал предназначен для строительства и возведения различных скважин, например, для добычи природных жидких источников топлива от давления подземных вод.

Состав и особенности

Тампонажный цемент представляет собой вяжущий состав, который почти не имеет отличий от портландцемента. Однако присутствуют повышенные требования к содержанию клинкера. В тампонаже доля клинкера может достигать 100%. Обязательная примесь — до 3,5% молотого гипса.

Чтобы улучшить свойства материала, можно дополнять его различными минеральными элементами, которые в сумме будут составлять не более 12% от общей массы. Должно быть не больше 10% известняка, шлаков — до 20%.

Условия, нормы веществ и предназначение для тампонажного цемента записаны в ГОСТ 1581. Тип веществ определяется процентной долей огнеупорных примесей и остальных компонентов. Рецепт готового цемента может варьироваться в зависимости от производителя.

• мельчайший помол;
• ускоренный процесс затвердевания;
• повышенная механическая прочность и жесткость;
• при разбавлении водой консистенция отличается от таковой у других видов цемента.

К показателю текучести есть повышенные требования в строительных нормах и правилах. Скорость перемещения раствора цемента должна достигать 1,5 м/с при небольших размерах технологических отверстий. Из-за чрезвычайно высокого давления в местах использования такого состава песок, арматура, опалубка, щебень не добавляются. Поэтому вяжущее является единственным компонентом.

Особенности применения такого состава обусловливают высокие требования к нему как к строительному материалу. Он должен понижать оказываемое давление на трубопровод или другую часть, которая подвергается изоляции. Кроме того, тампонажный раствор должен обладать большей скоростью застывания, которая достигается за счет ввода различных добавок во время изготовления.

Основные технические характеристики

1. Механическая прочность спустя 8 часов достигает 2,1-10,3 МПа в зависимости от температуры. Максимальный показатель наблюдается при 60 °С.
2. Жесткость на изгиб варьируется в диапазоне 0,7-3,5 и зависит от производителя и марки.
3. Остаточная масса на сите с сетью №0,08 — не более 15%.
4. Удельная поверхность — не больше 270 м²/кг.
5. Показатель отделения влаге не должен превышать 10.
6. Растекаемость под действием влаги варьируется в зависимости от вида. Непластифицированный тампонажный цемент может растекаться со скоростью до 200 мм. Пластифицированный — до 220.
7. Состав застывает до консистенции 30 за 90 минут и больше.

Все характеристики должны быть приведены в пометке изготовителя вместе с информацией о дате производства. Портландцемент теряет свойства через полгода или под действием воздуха.

Скорость затвердевания будет зависеть от температурных показателей в скважине и процента щелочных веществ в составе. Если температура превышает 60 °С, время застывания может меняться.

Классификация тампонажных цементных смесей

Все требования, которые предъявляются к такому виду цемента, нормированы по ГОСТу. Существует несколько видов цемента в зависимости от характеристик.

Согласно показателям плотности условно выделяют 2 типа:

1. Облегченный тип — нормальная смесь.
2. Утяжеленный, содержащий примеси, увеличивающие массу.

В зависимости от температурного режима есть такие типы:

Номенклатурное наименование	Диапазон температур, °С
Низкие и нормальные	15-50
Умеренные	51-100
Повышенные	101-150

Виды составов по степени устойчивости веществ к химикатам, которые содержатся в грунтовых водах:

Для некоторых типов выделяют 2 уровня устойчивости к сульфатам: умеренный и повышенный.

По состоянию цементного теста материал разделяют на:

1. Непластифицированный;
2. Гидрофобизированный.

Маркировка и ее расшифровка

Каждый вид тампонажного цемента обладает собственным номенклатурным наименованием, которое соответствует свойствам.

Маркировка тампонажа состоит из 5 обозначений:

1. ПЦТ — тампонажный портландцемент.
2. Тип вяжущего и пометка об облегченном или утяжеленном составе.
3. Третье числовое значение соответствует уровню прочности изделия. Этот показатель определяется изготовителем.
4. Следующее число определяет уровень температур и состояние цементного теста. Например, 150-ПЛ — для работы с повышенными температурами. Пластифицированное тесто.
5. Последняя пометка — нормативный акт, которому соответствует произведенный продукт.

Добавки для улучшения тампонажных растворов

Чтобы улучшить эксплуатационные качества раствора,

1. Хлорид кальция и карбонат натрия ускоряют время схватывания цемента. При добавлении в жидкость получается смесь быстрого схватывания, может применяться при температурных показателях до 65 °С. Для расширительных свойств добавляют до 30% гипсоглиноземистого цемента.
2. Если добавить гипс, существенно сокращается срок затвердевания, в результате камень с повышенной прочностью формируется спустя 3-4 часа после закачки раствора. Чтобы не допустить застывания в самих бурах, добавляются ингибиторы процесса.
3. Бентонит повышает начальную подвижность раствора, что особенно важно при его закачке.
4. Составы с включением глины дополнительно улучшают вязкость материала во время его продавливания, что позволяет обеспечить последующее затвердение раствора с повышением пластической прочности.
5. Цементно-смолистый состав с добавлением пластических веществ, в основном эпоксидных алифатических смол, применяется, если рядом со скважиной расположены водоносные пласты.
6. Если требуется закачать раствор на глубину более 100 м, добавляют дизтопливо. Цемент полностью инертен к органическим углеводородам, а раствор становится намного более вязким. Прочность приобретается после того, как углеводороды заменятся водой.

Технология и область применения

Этот вид цемента не участвует в строительстве жилых зданий из-за слишком быстрого застывания. В основном используются такие бетонные блоки в нефтегазовых скважинах. Раствор можно применять для заливки свай в сложных условиях.

Он заливается полностью за счет воды при помощи специальных помп, жидкость добавляется к составу в соотношении 2:1. Затем, когда цемент станет подвижным тестом (это состояние, которое получило название «пульпа»), можно закачивать его в отверстие. После полного затвердевания материал становится монолитным и надежно защищает от грунтовых вод.

Применение тампонажного цемента, его классификация и маркировка

Одним из уникальных подвидов портландцемента является тампонажный цемент. Он используется в тампонажных работах, цель которых — исключить влияние агрессивных газов и сред на трубы при бурении скважин, снизить давление на них и гарантировать их безопасную эксплуатацию.

Особенности и состав

К специфическим особенностям тампонажного цемента можно отнести такие его свойства, как:

• Быстрый период затвердевания, при том, что достаточно долгое время перемешанная с водой смесь сохраняет свои подвижные и вязкие свойства;
• Устойчивость к воздействию влаги — затвердевает даже в воде;
• Совмещение с различными добавочными веществами.

Тампонажный цемент прочен и целостен длительное время, независимо от влияния вредных окружающих сред.

Основной состав строительного материала представлен измельченным клинкером и гипсом. Также для воздействия на те или иные свойства применяют минеральные добавочные вещества. Для цементирования буровых скважин при нефте- и газодобыче производятся разные виды растворов, а именно:

1. Гигроскопический. К основной смеси добавляют триэтаноламин.
2. Утяжеленный. В клинкеро-гипсовую основу вводят утяжеляющие добавки, одной из которых могут быть железорудные минералы (тяжелые шпальт, гематит, магнетит).
3. Песчанистый. Основной состав смешивают с гипсом и кварцевым песком, при этом соотношение компонентов должно быть для использования в горячих скважинах не больше 50% и менее 20% в холодных.
4. Солестойкий. В раствор добавляют кварцевый тонкоизмельченный песок, противостоящий коррозии, которая образуется в результате воздействия на трубы грунтовых вод с высокой концентрацией соли.

Кроме обычного тампонажного портландцемента производят сульфатостойкую смесь, которая не поддается воздействию агрессивной среды, долговечный низкогигроскопичный цемент, а также волокнистую смесь для прочного цементирования путей утечки раствора.

Технические характеристики

Тампонажный цемент характеризуется следующими техническими параметрами:

• Быстрым периодом загустения цементного раствора – не более 90 ед. консистенции;
• Расслоением затвердевшей массы либо водоотделением: для холодной — в пределах 3,5%, для горячей — около 4%;
• Малым объемом растекаемости раствора – максимум 0,4 см;
• Началом затвердевания – не более 120 минут (после затворения);
• Окончанием затвердевания – для холодного материала – не более 18 часов и для горячего — не более 8 часов (после затворения).

Помимо этого, нормируется также тонкость измельчения клинкера и лимит прочности на изломе макета из затвердевшей смеси.

Классификация и маркировка

Строительный материал можно классифицировать в зависимости от следующих критериев:

1. Состав цементного вещества:

• I — без добавок;
• I-G — без добавок, с нормой требования соотношения воды и цементной смеси — 0,44;
• I-H — без добавок, с нормой требования соотношения воды и цементной смеси — 0,38;
• II — с минеральными добавками;
• III — с добавлением специальных веществ, которые регулируют плотность цемента.

1. В свою очередь, портландцемент тампонажный III-го типа делится по плотности:

• Ут — утяжеленного типа;
• Об — облегченного типа.

1. Температура использования цементного теста:

• в пределах 15°С — 50°С — низкие и нормальные температуры;
• от 51°С до 100°С — умеренные;
• от 101°С до 150°С — повышенные.

1. Степень противостояния разрушающим действиям сульфат-ионов:

• типы I, II, III — СС — сульфатоустойчивые и обычные (так как нормы по поводу сульфатоустойчивости не фиксируются);
• типы I-G и I-H — СС-1 — с высокой степенью противостояния сульфатам и СС-2 — с умеренной степенью сульфатопротивостояния.

Маркировка материала включает:

• Буквенное обозначение: ПЦТ — портландцемент тампонажный;
• Тип — I (I-G, I-H), II, III;
• Сульфатостойкость — СС, СС-1, СС-2;
• Среднюю плотность для III-го — Об, Ут;
• Максимальную температуру использования вещества — 50, 100, 150 °С;
• Пластификацию, либо гидрофобизацию цемента — ПЛ либо ГФ;
• Обозначение госстандарта.

Пример маркировки и ее расшифровка

Марка ПЦТ II-СС-50 ГОСТ 1581-96 означает, что эта смесь называется тампонажным портландцементом, в состав которого входят минеральные добавки. Это вещество с сульфатоустойчивыми параметрами, используется при температурах в диапазоне от низкой до нормальной.

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.

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.

Цемент тампонажный

Тампонажный цемент – это разновидность портландце­мента с повышенными требованиями к минералогическому составу клинкера.

Используется при разведочном и эксплуатационном бурении неф­тяных и газовых скважин, и при капитальном ремонте скважин (КРС) для цементи­рования нефтяных скважин, целью которого является изолиро­вание продуктивных нефтеносных слоев от водоносных, а также отделение нефтеносных слоев друг от друга при многопластовых залежах нефти.

Цементирование (там­понирование) – важная операция техпроцесса бурения; качество цементирования часто определяет эффективность эксплуатации скважины, а при разведочном бурении – возможность правильной оцен­ки запасов продуктивных нефтеносных слоев в исследуемом месторождении.

Замес и заливку раствора производя механическим способом, подача в скважину осуществляется насосной установкой.

Операция цементирования скважины:

• опускание в скважину ко­лонны обсадных стальных труб разного диаметра;
• заполнение образовавшегося кольцевого пространство между стенками скважины и наружным диаметром труб быстротвердеющим цементным раствором.

Методы цементирования скважин:

• пря­мое цементирование,
• монтажная заливка,
• цементирова­ние хвоста,
• цементирование через заливочные трубы при ремонтных работах,
• обратное цементирование,
• мно­гоступенчатая заливка и тд.

Многообразие методов связано с особенностями место­рождений, характером расположения про­дуктивных и водоносных слоев, структуры коллекторов и др.

Прямое цементирование – наиболее распространенный метод:

• колонну стальных труб опускают на рассчи­танную глубину и подвешивают;
• через колонну подается глинистый раствор для промывки сква­жин перед цементированием;
• спуск колонны после промывки на нижнюю пробку с цент­ральным отверстием, закрытие стеклянной пластиной. Пробка плотно прилегает к стенкам труб;
• на опу­щенную пробку в колонну быстро накачивается с по­мощью цементировочных агрегатов цементный раствор в заранее рассчитанном объеме, после чего туда опуска­ют верхнюю глухую пробку;
• на верхнюю проб­ку накачивается под большим давлением глинистый раствор, в результате чего цементный раствор, заклю­ченный между нижней и верхней пробкой, движется вниз;
• когда нижняя пробка достигает заранее установ­ленного на обсадных трубах упорного кольца, повышается давление, и стекло нижней пробки раз­давливается;
• цементный раствор через образовавшее­ся отверстие проходит в забой и в затрубное кольцевое пространство, выдавливая находивший­ся в скважине после бурения глинистый раствор;
• когда верхняя пробка садится на нижнюю, что заметно по резкому повышению давления па манометре (устье скважины), движение глинистого раствора приостанав­ливается.
• после проверки высоты подъема цементного раст­вора в затрубном пространстве скважину оставляют в покое примерно на 18 час ( реже 48 час) до полного затверде­вания цемента. Зазор между стенкой скважины и на­ружным диаметром обсадных труб, заполненный це­ментным раствором, составляет примерно 15-50 мм;
• по истечении установленного срока твердения це­ментного раствора обсадную колонну испытывают на герметичность путем «опрессовки», при этом допускает­ся снижение давления на 0,5 МПа за 30 мин;

После окончания этих операций и приобретения цементом не­обходимой прочности вскрывают продуктивный нефте­носный слой путем дальнейшего пробуривания цемент­ного камня на забое, либо пробивают отверстия, по ко­торым в скважину поступает нефть. Это осуществляет­ся с помощью пороховых либо торпедных перфораторов через стенки труб и прилегающий к ним цементный ка­мень. В результате перфорации в цементном камне об­разуются отверстия, по которым в колонну поступает нефть после понижения уровня жидкости в скважине при давлении ниже пластового давления нефти.

Особенности процесса цементирования:

• Глинистый раствор отрицательно влияет на твердение цемента при их смешивании, ког­да цементный раствор проходит в затрубное простран­ство.
• Перфорация цементного камня в скважине также влияет на его прочность, снижая ее в зависимости от многих факторов, в тч от вида перфорации пулевой или торпедной.
• Скорость подъема цементного раствора в затрубном пространстве при це­ментировании должна составлять не менее 1,5 м/сек, что способствует лучшей очистке сте­нок скважины от глинистой корки и образованию более стойкого цементного кольца.
• Нужно точно контролировать объемы цементного раствора и продавочной жидкости, закачиваемых в колонну, и изменение давления раствора. Экзотермия цемента способствует повышению этого давле­ния.

Условия службы тампонажного цемента в скважинах:

Осмотр и точное обследование состояния скважины невозможны, что затрудняет изуче­ние цемента в условиях службы;

По мере углубления нефтяной скважины в ней повышаются температура и давление, что влияет на процесс цементи­рования и качество получаемого цементного камня. Повышение температуры с глубиной бурения неодинаково в разных нефтяных месторожде­ниях. При измерении тем­пературы в ряде скважин, значение геотер­мического градиента составило 16,5-18,3 м/град. Диапазон колебаний объясняется различной силой притока верхних и нижних вод, причем температура нефтяных пластов всегда ниже темпе­ратуры водоносных. В США на некоторых скважинах при глубине примерно 7 тыс м температура на забое до­ходила до 473 К при давлении 12,5 МПа.

В скважине создается высокое давление в результа­те напора воды, газов, нефти, которое при повышенной температуре влияет на сроки схватывания цементного раствора и формирование цементного камня. Условия для твердения цемента в скважине сложные. Коллекторы имеют различную пори­стость, трещинноватость и кавернозность. Избы­точное давление, испытываемое пластом в результате гидростатического давления, создаваемого столбом промывочной жидкости, увеличивает естественные тре­щины в породе и может привести к уходу глинистого, а затем и цементного раствора при цементировании им скважины. При гидравли­ческом разрыве пласта (ГРП), переток пластовых вод с верхних па нижние водоносные горизонты – обычное явление. Бывают случаи обезвоживания цементного раствора из-за отсоса воды пористыми пластами породы.

Пластовые воды на многих месторождениях имеют высокую концентрацию солей. Хлоркальциевые, хлормагниевые, сульфатно-натриевые, сульфатно-сульфидные воды оказывают коррозионное воздействие на цементный камень, осо­бенно при повышенных температурах и давлении, когда возможна существенная водопроницаемость це­ментного кольца.

Еще более влияет на условия службы в газовых скважинах происходящая после окончания цементиро­вания диффузия газа из пласта в скважину, часто вызывающая выбросы и фонтаны.

1 е опыты крепления обсадных труб для изоля­ции нефтяного пласта от водоносного путем цементиро­вания портландцементным раствором были выполнены в 1907-1908 гг и дали положительные результаты в сравнительно неглубоких скважинах.

Портландцемент того времени характеризовался сравнительно медленным схватыванием, низкой прочностью и грубым помолом, поэтому приходилось долго «выжидать», пока цемент­ный камень приобретет необходимую прочность. Для ускорения процесса тверде­ния цемента использовался более тонкий помол цемента.

Важнейшие требования к качеству тампонажного цемента

Цементный раствор (шлам) должен обладать достаточной текучестью, обеспечивающей возможность быстрого его закачивания в колонну труб, а затем продавливания в затрубное пространство:

Раствор должен оставаться подвижным определенное время, пока идет цементирование. Это достигается при ВЩ – 0,4-0,5. В зависимости от температуры скважины дифференци­руются сроки схватывания цемента.

Тампонажный цемент должен характеризоваться необходимой прочностью в первые 2 суток тверде­ния. Прочность затвердевшего цементного раствора в краткие сроки твердения должна обеспечить закрепле­ние колонны в стволе скважины, необходимую ее устой­чивость при разбуривании и перфорации, эффективную изоляцию от проницаемых пород. Прочность должна составлять не ме­нее 2,3 МПа и приближаться к 3,5 МПа при коэффи­циенте запаса прочности в 2-5.

Вязкость цементного раствора, характеризующая его текучесть. Цемент дол­жен обеспечить получение раствора хорошей текучести и оставаться подвижным в течение времени, необходи­мого для его закачки и вытеснения в затрубное прост­ранство при температуре и давлении, соответствующих дайной глубине. После закачки в скважину цементный раствор должен в кратчайший срок приобретать соот­ветствующую прочность и сохранять ее .

Цементный камень должен быть стоек по отношению к агрессивным пластовым водам на глубоких горизон­тах и водонепроницаемым, чтобы защитить продуктив­ные нефтяные пласты от пластовых вод и обсадную ко­лонну от проникновения корродирующих жидкостей, со­держащих большое количество различных солей, а за­частую и сероводород. В начальный период твердения цементный камень должен быть достаточно пластич­ным, чтобы при перфорации скважин в нем не образо­вались трещины, и вместе с тем достаточно долговеч­ным в условиях, когда ему приходится противостоять воздействию не только агрессивных пластовых вод, но и высокой температуры и давления. Необходимо учиты­вать и водоотдачу, которая вполне возможна при нали­чии проницаемых пластов, отсасывающих часть воды из цементного раствора. Это заметно снижает водоцементиое отношение, что влияет на вязкость и сроки схватывания цемента. Кроме того, серьезное значение имеет газопроницаемость цементного камня, особенно в газовых скважинах.

Цемент 1 й разновидности не может удовлетво­рять всем требованиям, связанным с различными усло­виями его работы в скважинах, поэтому цементная промышленность выпускает 2 основных ис­ходных вида тампонажного цемента:

Цемент, пред­назначенный для цементирования «холодных» скважин до 40 о С(295К);

Цемент, пред­назначенный для цементирования «горячих» скважин свыше 40 о С(348 К).

Требования к цементам для «холодных» и «горячих» скважин высоки. Стандарт регламентирует же­сткие пределы для сроков схватывания: начало не ра­нее 2 ч для применения цементов в «холодных» скважи­нах и не ранее 1 ч 45 мин для «горячих» скважин.

Ко­нец схватывания после затворения должен наступать в цементе для «холодных» скважин не позднее 10 час и в цементе для «горячих» скважин – не позднее 5 час. Это время необходимо для того, чтобы успеть закачать це­ментный раствор в скважину и продавить его на нуж­ную высоту в затрубное пространство.

Предел прочно­сти при изгибе призм 4X4X16 см из цементного теста с В/Ц=0,5 должен составлять через 2 суток – при холодных скважинах-2,7 МПа, при горячих через 1 сутки – 3,5 МПа. Цементное тесто должно обладать такой растекаемостью, при которой расплыв образца в виде конуса из этого теста был бы не менее 180 мм.

К тампонажным цементам предъявляются такие же требования в отношении допустимого содержания SO₃ и MgO, а также по тонкости помола и равномерности изменения объема, что и к портландцементу.

К клинке­ру цемента для «холодных» скважин при измельчении можно добавлять: гранулированный доменный шлак (не более 20%), активные минеральные добавки (не более 12% массы цемента) или инертные добавки (не более 10%), кварцевый песок или кристаллический известняк, в тч должен содержать повышенное количество трехкальциевого алюмината 10 – 13%, алита – до 50% для обеспечения нужной скорости схватывания раствора и повышенного уровня прочности его на ранних сроках твердения, а также повышенное содержание трехкальциевого силиката 57 – 60% в сочетании с пониженным содержанием С_зА 4 – 7%, дози­ровка гипса повышенная 3-3,5% so₃, что обеспечивает требуемую скорость схватывания, высокую активность цемента на ранних сроках твердения.

Тампонажный цемент для «холодных» скважин изготавливают главным образом путем тонкого помола (до удельной поверхности 3000-3500 cм 2 / 1 г клинкера).

Качественный тампонажный цемент должен быть так тонко помелен, чтобы во время просеивания его через сито № 008 не меньше 25% веса пробы проходило.

В целях замедления схватывания тампонажный це­мент для «горячих» скважин должен быть преимущест­венно низкоалюминатным. Он предназначается для службы при температуре примерно 348 К – Выпускают­ся тампонажные цементы, которые содержат 3-4% С₃А н пригодны как для «холодных», так для «горячих» скважин. Однако эти стандартизованные цементы не всегда позволяют обеспечить качественное цементиро­вание нефтяных и газовых Скважин, пробуриваемых зачастую в разнообразных сложных условиях. Так, на­пример, часто в глубоких и сверхглубоких скважинах температура на забое бывает выше 348 К, доходит и до 473 К при давлении до 70 МПа.

В скважинах многих нефтяных районов пластовые воды оказывают на цемент сильное корродирующее действие, цементный раствор поглощается трещинова­тыми или дренированными пластами. Для цементирова­ния скважины в таких условиях необходимы цементные растворы с плотностью, превышающей плотность про­мывочного глинистого раствора.

В других случаях тре­буются, наоборот, цементные растворы с пониженной плотностью для того, чтобы поднять цементный раствор па большую высоту. Специфические условия создаются в газовых скважинах, в которых наблюдается прорыв газа через цементное кольцо и резьбовое соединение об­садной трубы п др.

Для службы в таких специфических условиях разработаны специальные виды тампонажных цементов, эффективность которых подтверждена на практике (ГОСТ 1581-96), но производство ограничено.

ГОСТ 26798.2-96. Цементы тампонажные типов I-G и I-H

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.

Назначение буровых смесей

Циркуляция воды в скважине способствует прочистке отверстия, чем помогает бурительному и заделочному процессам. При условии, что используется активный состав с дополнительными эксплуатационными свойствами, можно рассчитывать на целый ряд других эффектов, среди которых следующие:

• Образование фильтрационной корки на стенах открытого ствола. В результате укрепляются неустойчивые отложения, глинистые породы и сыпучие пласты.
• Создается противодействие поровому давлению.
• На забойную силовую установку и долото транслируется дополнительная гидравлическая энергия.
• Буровые и тампонажные растворы транспортируют разработанную породу и после завершения циркуляции удерживают эту массу во взвешенном состоянии.
• Предотвращаются риски возникновения осложнений, дифференциальных прихватов, нефтегазопроявления и поглощения скважины.
• Предупреждаются обвалы и осыпи.
• Оказывается смазывающее воздействие на буровое оборудование.
• Обеспечиваются охлаждение и смазка инструмента.

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.

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.

Портландцемент — основа тампонажного промывочного раствора

В качестве цементирующей составляющей промывочных тампонажных растворов используются портландцементы и доменные шлаки.

Портландцемент — это сыпучий материал с вяжущими свойствами, получаемый в результате одновременного размола гипса, клинкера и (или) гранулированных доменных шлаков. При этом количество гипса в полученной смеси регламентируется в пределах 1,5-3,5%. Портландцементные тампонажные смеси обладают способностью затвердевания и превращения в минеральное соединение, характеризующееся повышенной механической прочностью, через некоторое время после разведения компонентов в воде. Цементный камень образуется в результате реакций гидратации и гидролитической диссоциации клинкерных элементов (кальциевых алюминатов, алюмоферритов, силикатов). Таким образом именно минеральный состав клинкера играет главную роль при протекании химических реакций, определяющих скорость затвердевания промывочного тампонажного раствора и финишных функциональных свойствах полученного бетона.

На месторождениях с АВПД (аномально высоким давлением) работы по цементажу скважин производятся многоступенчатым методом, при этом плотность бурового тампонажного раствора увеличивают до максимально возможной величины. Помимо этих технологических приемов, во избежание заколонных нефтегазоводопроявлений, используют седиментационноустойчивые тампонажные компоненты, обеспечивающие ускоренное «схватывание» цементной смеси. В результате обработки стенки скважины успешно противостоят проницаемости пластов.

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.

Удельная поверхность, м2/кг

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

Основа для состава тампонажной смеси

Для создания буровых растворов применяются пластические и тонкодисперсные глины с минимальными включениями песка, которые вместе с водой могут образовывать вязкую суспензию с длительным периодом оседания. При разработке газовых и нефтяных скважин специалисты рекомендуют использовать щелочные виды монтмориллонитовых глин, а также глинопорошки. Кроме того, в состав тампонажного раствора входит техническая вода, гидрогели и солевые компоненты. Современные смеси включают инвертную эмульсию, известково-битумные основы и полимерные компоненты. Соотношения между ингредиентами и конкретный их набор зависит от эффекта, который необходимо достичь, и условий применения раствора. В любом случае к нежелательным компонентам относятся примеси наподобие гипса и растворимых минералов, которые понижают стабильность вязкого глинистого сырья.

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 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.

Свойства тампонажных смесей

Технико-эксплуатационные свойства буровых смесей определяются подобранной рецептурой и на практике применения определяют качества взаимодействия с материалами пластов скважины. Учитываются следующие свойства тампонажного раствора:

• Водоотдача. В условиях перепадов давления происходит процесс водоотделения от активной фазы раствора. В зависимости от параметров ствола скважины показатель скорости водоотдачи может быть разным, корректируется индивидуально. Например, если планируется укрепление конструкции, то водоотдача раствора должна быть близка к нулю.
• Седиментационная стойкость. Процесс отделения воды от раствора, при котором цементная масса движется вниз, а жидкость – вверх.
• Загустевание. Определяется множеством факторов, среди которых степень помола компонентов раствора и наличие материалов, повышающих вязкость. На стимуляцию этого свойства влияет увеличение доли воды, а на понижение – стороннее тепловое воздействие.
• Схватывание. Как правило, технологи стремятся повышать это качество до максимума в конкретных условиях. Для этого используется наращивание температуры с давлением, а также изоляция ствола в условиях повышенной влаги.

Модификация свойств буровой смеси

Корректировка тех или иных качеств не всегда возможна обычными средствами и материалами, поэтому целесообразнее использовать специальные присадки и добавки, которые эффективно и точечно изменяют нужные свойства. В их числе отмечаются следующие модификаторы:

• Карбонат натрия. Используется для сокращения времени схватывания. С помощью данного ускорителя получают быстросхватывающиеся растворы, пригодные для использования при температурах до 55-65 °С.
• Бентонит. Увеличивает показатель начальной подвижности промывочного раствора, оптимизируя мероприятия по его закачке. Этот модификатор рекомендуется использовать применительно к тампонажным растворам, плотность которых варьируется от 1,5 до 2,2 г/см3.
• Гипсоцементные суспензии. Улучают способность раствора к водоотдаче. Основа становится более стойкой к растворению в воде. Для промывочных составов использование суспензий бессмысленно, однако в целях укрепления ствола – вполне допустимо.
• Цементно-смолистые добавки. Разновидность пластификатора с эпоксидными смолами, которые применяются для промывки скважин с осложнениями водоносных пластов.

Технология применения тампонажной смеси

Для использования буровых растворов используется специальное оборудование, обеспечивающее техническую возможность операций циркуляции. В процессе применение тампонажные растворы совершают следующий технологический цикл:

• Состав замешивается и хранится в специальной емкости.
• Насосное оборудование через колонну бурильного трубопровода начинает перекачку раствора из емкости в скважину.
• По трубам смесь направляется к забою скважинного ствола, где долото бурильной установки разрабатывает очередной слой породы.
• Раствор возвращается на поверхность, неся с собой частицы породы, отделенные долотом.
• По затрубу масса поднимается вверх, проходя между бурильной трубой и стенами скважины.
• На поверхности выполняется операция фильтрации и очистки раствора от шлама. Для этого применяют вибрационное сито.

Виды растворов для бурения

В практике применения обычно выделяют следующие виды тампонажных смесей:

• Буровой лигнитовый. Раствор на щелочной основе, который модифицируется лигнитами.
• Известково-битумный раствор. В качестве основы используются нефтепродукты – комбинация дисперсионной среды из нефти или дизельного топлива, а также битума и оксида кальция в качестве дисперсной фазы.
• Облегченная смесь для промывки. Представляет собой уменьшенный в массе тампонажный раствор с минимальными показателями плотности. Используется при разработке скважин с низким давлением пластов.
• Полимерный раствор. В основе состава находится вода, содержащая высокомолекулярные линейные полимеры. Обычно используется в процессах бурения крепких пород.

Проверка на соответствие ГОСТу

Согласно ГОСТу 26798.1-96, параметры буровых растворов определяются без учета возможных воздействий, которые могут иметь место в процессе эксплуатации материала в реальных условиях с подключением обсадных колонн. На соответствие нормативам проверяется время загустевания смеси, плотность и вязкость. При этом для разных составов и технические показатели, и перечень критериев оценки могут меняться. Так, для определения свойств расширения и прочности в случае с тампонажным цементным раствором используется ГОСТ 1581-96, требующий, чтобы испытания проводились при температуре окружающей среды порядка +30 °С. В процессе затвердевания смесей цементного камня в ограниченном объеме показатели прочности могут быть выше, чем при использовании аналогичной по составу массы при заполнении скважины. И, напротив, проницаемость раствора понижается.