Тампонажные растворы

бурения скважин П.С. Чубик

Тампонажный раствор (ТР) – это гетерогенная полидисперсная система, способная в течение некоторого времени переходить из вязко-пластичного состояния в твердое как на воздухе, так и в жидкости.

Лекция № 11

1. Общие сведения о буровых тампонажных растворах

ТЦ

+

=

ЖЗ

ТР

ТК

затворение

Т, час

ВВ

Д

УС

ЗС

ПФ

Пл

ХА

И

Дисперсная фаза

Дисперсионная среда

бурения скважин П.С. Чубик

Дисперсная фаза ТР представлена тампонажным цементом (ТЦ), который состоит из вяжущего вещества (ВВ) и добавок (Д) к нему. Добавки к ВВ могут быть химически активными (ХА) и инертными (И).

Лекция № 11

ТЦ

+

=

ЖЗ

ТР

ТК

затворение

Т, час

ВВ

Д

УС

ЗС

ПФ

Пл

ХА

И

Дисперсная фаза

Дисперсионная среда

бурения скважин П.С. Чубик

Дисперсионная среда или жидкость затворения (ЖЗ) ТР чаще всего представлена водой, реже водными высоко концентрированными растворами солей и углеводородными жидкостями.

Лекция № 11

ТЦ

+

=

ЖЗ

ТР

ТК

затворение

Т, час

ВВ

Д

УС

ЗС

ПФ

Пл

ХА

И

Дисперсная фаза

Дисперсионная среда

бурения скважин П.С. Чубик

ЖЗ может содержать в растворенном виде химические реагенты, предназначенные для регулирования свойств ТР и тампонажного камня (ТК). ТК – искусственное твердое тело, образующееся при затвердевании ТР.

Лекция № 11

ТЦ

+

=

ЖЗ

ТР

ТК

затворение

Т, час

ВВ

Д

УС

ЗС

ПФ

Пл

ХА

И

Дисперсная фаза

Дисперсионная среда

бурения скважин П.С. Чубик

Вводимые в ЖЗ химические реагенты по функциональному назначению делятся на следующие 4 группы: ускорители схватывания и твердения (УС); замедлители схватывания и твердения (ЗС); понизители фильтрации (ПФ); пластификаторы или разжижители (Пл).

Лекция № 11

ТЦ

+

=

ЖЗ

ТР

ТК

затворение

Т, час

ВВ

Д

УС

ЗС

ПФ

Пл

ХА

И

Дисперсная фаза

Дисперсионная среда

бурения скважин П.С. Чубик

Отношение массы дисперсионной среды к массе дисперсной фазы в единице объема ТР называется водоцементным отношением и обозначается В/Ц.

Лекция № 11

ТЦ

+

=

ЖЗ

ТР

ТК

затворение

Т, час

ВВ

Д

УС

ЗС

ПФ

Пл

ХА

И

Дисперсная фаза

Дисперсионная среда

бурения скважин П.С. Чубик

Основными функциями, выполняемыми ТР при сооружении скважин, являются следующие:
закрепление обсадных колонн и защита их от коррозионного воздействия пластовых флюидов;
изоляция друг от друга и от дневной поверхности пластов, содержащих различные виды флюидов (вода, нефть, газ) или один вид флюида с разными свойствами;

Лекция № 11

1.1. Функции тампонажных растворов

бурения скважин П.С. Чубик

создание искусственных забоев и разделительных пробок или перемычек в стволе скважины с целью забуривания нового ствола, перехода на вышележащий объект, ликвидации проявлений, консервации скважины и др.;
ликвидация поглощений бурового раствора;
закрепление стенок скважин в потенциально неустойчивых породах.

Лекция № 11

бурения скважин П.С. Чубик

ТР должен удовлетворять следующим требованиям:
легко прокачиваться цементировочными агрегатами в течение времени, необходимого для транспортирования его в заданный интервал скважины;
обладать минимальной фильтрацией для сохранения высокой проницаемости приствольной зоны продуктивного пласта и предотвращения преждевременного загустевания при течении в затрубном пространстве;

Лекция № 11

1.2. Требования, предъявляемые к тампонажному раствору

бурения скважин П.С. Чубик

быть седиментационно устойчивым с тем, чтобы в состоянии покоя в нем не образовывались каналы, заполненные дисперсионной средой;
быть химически инертным по отношению к металлу, горным породам, пластовым флюидам и буровому раствору;
по окончании транспортирования в заданный интервал скважины максимально быстро превращаться в ТК;
легко смываться с технологического оборудования;
быть нетоксичным.

Лекция № 11

бурения скважин П.С. Чубик

ТК должен удовлетворять следующим требованиям:
быть высоко эластичным (трещиностойким) для предотвращения его разрушения при динамических нагрузках, в частности, при перфорации;
быть коррозионно- и термостойким;

Лекция № 11

1.3. Требования, предъявляемые к тампонажному камню

бурения скважин П.С. Чубик

обладать хорошей сцепляемостью (адгезией) с металлом и горными породами, слагающими стенки скважины;
не давать усадки при твердении;
быть практически непроницаемым для жидкостей и газов;
быть достаточно прочным и в то же время легко разбуриваться.

Лекция № 11

бурения скважин П.С. Чубик

В составе ТЦ качестве ВВ, обеспечивающих затвердевание тампонажных растворов, применяются следующие:
портландцемент;
глиноземистый цемент;
шлаковый цемент;
известково-кремнеземистый цемент;
гипс;
магнезиальный цемент;
смеси различных минеральных ВВ;
органические ВВ (синтетические смолы).

Лекция № 11

2. Краткая характеристика основных вяжущих веществ

минеральные ВВ

бурения скважин П.С. Чубик

Основной частью портландцемента являются клинкерные минералы, получаемые искусственным путем при обжиге (Т ≈ 1450 ºС) смеси известняка с глиной. При этом состав смеси подбирается таким образом, чтобы в ней содержалось строго определенное количество следующих оксидов:
кальция СаО (С)* - 64 … 68 % (известь);
кремния SiO2 (S)* - 19 … 23 % (кремнезем);
алюминия Al2O3 (A)* - 4 … 8 % (глинозем);
железа Fe2O3 (F)* - 3 … 6 %.
* С, S, A, F – сокращенные обозначения оксидов, принятые в химии цементов.

Лекция № 11

2.1. Портландцемент

бурения скважин П.С. Чубик

Оксид кальция обладает щелочными свойствами, а оксид кремния – кислотными. Оксиды алюминия и железа являются амфотерными, но в присутствии оксида кальция проявляют кислотные свойства.
Источником щелочного оксида СаО является известняк СаСO3, а кислотных оксидов (SiO2, Al2O3, Fe2O3) – глина.
Чаще всего используют каолинитовые глины, основу которых составляет минерал каолинит
Al2 [Si2O5] (OН)4
или в принятом в химии цементов написании
Al2O3 · 2SiO2 · 2Н2О.
Оксид железа Fe2O3 содержится в глине в виде примеси.

Лекция № 11

бурения скважин П.С. Чубик

Строго дозированную смесь известняка с глиной обжигают во вращающихся печах. При обжиге смесь доводят до частичного расплавления (спекания). Продукт обжига имеет вид гранул размером до 30 мм и называется клинкером.
По мере роста температуры в сырьевой смеси известняка с глиной происходят следующие основные процессы (реакции).

Лекция № 11

CaCO3

Fe2O3

Al2O3 · 2SiO2 · 2H2O

Т, ºС

бурения скважин П.С. Чубик

При температуре свыше 100 ºС начинается разложение глины на составляющие ее оксиды и воду, при этом происходит испарение последней. Заканчивается процесс разложения глины при температуре 600 ºС.
Примерно при этой же температуре (≈ 600 ºС) известняк начинает разлагаться на CaO и CO2, последний улетучивается в атмосферу.

Лекция № 11

CaCO3

Fe2O3

Al2O3 · 2SiO2 · 2H2O

Т, ºС

CO2

CaO

бурения скважин П.С. Чубик

По мере дальнейшего повышения температуры начинают протекать реакции между щелочным оксидом кальция и кислотными оксидами кремния, алюминия и железа с образованием соответствующих солей (силикатов, алюминатов, ферритов и алюмоферритов кальция).
Вначале при менее высокой температуре в реакцию с оксидом кальция вступают оксиды алюминия и железа, в результате чего при температуре порядка 1200 ºС образуется четырехкальциевый алюмоферрит
4CaO · Al2O3 · Fe2O3 (C4AF).

Лекция № 11

бурения скважин П.С. Чубик

Поскольку в сырьевой смеси оксида алюминия содержится больше, чем может быть связано с оксидом кальция и оксидом железа при получении четырехкальциевого алюмоферрита, то его остаток, продолжая связывать оксид кальция, в конечном итоге примерно при той же температуре (1200 ºС) приводит к образованию трехкальциевого алюмината
3CaO · Al2O3 (C3A).

Лекция № 11

Присоединение оксида кальция к оксиду кремния начинается при 600 ºС и заканчивается при температуре 1250 ºС с образованием двухкальциевого силиката
2CaO · SiO2 (C2S).

бурения скважин П.С. Чубик

Сырьевая смесь содержит оксида кальция больше, чем это требуется для образования четырехкальциевого алюмоферрита, трехкальциевого алюмината и двухкальциевого силиката. Этот избыток оксида кальция необходим для получения важнейшего из минералов клинкера – трехкальциевого силиката
3CaO · SiO2 (C3S).
Для получения трехкальциевого силиката температуру повышают до 1420 … 1470 ºС. После того как почти все количество оксида кальция оказывается связанным, обжигаемую смесь быстро охлаждают. При этом часть расплава не успевает закристаллизоваться и застывает в виде стеклообразной массы (клинкерное стекло).

Лекция № 11

бурения скважин П.С. Чубик

Состав клинкера:
трехкальциевый силикат C3S;
двухкальциевый силикат C2S;
трехкальциевый алюминат C3A;
четырехкальциевый алюмоферрит C4AF;
клинкерное стекло.
Все клинкерные минералы содержат примеси (оксиды магния, марганца, калия, натрия, титана, фосфора, сурьмы, хрома и др.), которые существенно изменяют их кристаллическую структуру и свойства.
Содержание примесей в клинкерных минералах может достигать следующих значений: в C3A до 13 %, в C4AF до 10 %, в C2S до 6 %, в C3S до 4 %.

Лекция № 11

бурения скважин П.С. Чубик

Лекция № 11

Краткая характеристика клинкерных минералов

бурения скважин П.С. Чубик

В портландцементном клинкере трехкальциевый силикат содержит примеси оксидов магния, алюминия, железа, хрома и в такой разновидности называется алитом, а двухкальциевый силикат существует в так называемой β – форме, содержит примеси оксидов марганца, хрома, серы, фосфора и называется белитом.
Хороший клинкер должен содержать не менее 75 % алита и белита, в том числе не менее 55 % алита.

Лекция № 11

бурения скважин П.С. Чубик

Алит придает портландцементу главные его положительные качества как вяжущего вещества: быстрое твердение при умеренно быстром схватывании.
Медленная гидратация белита обеспечивает долговечность тампонажного камня в результате залечивания появившихся в процессе его твердения микроповреждений.
Портландцемент получают помолом клинкера с обязательным добавлением к нему 3 … 7 % гипса (в виде природного гипсового камня, содержащего 65 … 90 % сульфата кальция CaSO4 · 2H2O) для регулирования скорости схватывания тампонажного раствора и повышения прочности тампонажного камня.

Лекция № 11

бурения скважин П.С. Чубик

Получают обжигом сырьевой смеси, состоящей из известняка и бокситов (руда, содержащая 28…52 % Al2O3).
Химический состав смеси:
CaO - 35…45 %;
SiO2 - 5…15 %;
Al2O3 - 30…50 %;
Fe2O3 - 5…15 %.

Лекция № 11

2.2. Глиноземистый цемент

бурения скважин П.С. Чубик

Достоинства:
Глиноземистый цемент, особенно при низких температурах, твердеет значительно быстрее, чем портландцемент, а получаемый при этом тампонажный камень имеет в несколько раз большую прочность, существенно меньшую проницаемость и повышенную коррозионную устойчивость к агрессивным средам.
Недостатки:
Высокая прочность тампонажного камня сохраняется длительное время только при отсутствии поровой жидкости (в сухих условиях) и пониженных температурах (20…25 ºС).
Глиноземистый цемент дефицитен, поэтому чаще всего применяется в смеси с портландцементом при соотношении 1 : 5 или 1 : 4.

Лекция № 11

бурения скважин П.С. Чубик

Получают при охлаждении расплава, образованного примесными минералами руд, флюсов и золы топлива при выплавке чугуна.
По химическому составу близок к портландцементу, отличаясь от него обычно меньшим содержанием оксида кальция (40…50 %) и отсутствием оксида железа.
Достоинства:
В отличие от портландцемента очень медленно твердеет в нормальных условиях, но при температуре порядка 100 ºС и выше процесс твердения идет интенсивно с образованием прочного ТК, очень стойкого к полиминеральной агрессии.

Лекция № 11

2.3. Цемент на основе металлургических (доменных) шлаков

бурения скважин П.С. Чубик

Представляет собой смесь гидроксида кальция – Ca(OH)2 с кварцевым песком или другими материалами, содержащими оксид кремния (диатомитом, измельченным кварцем, пылевидной каменноугольной золой и т.п.).
CaO : SiO2 = 0,8…1,2.
Достоинства: быстрое схватывание.
Недостатки: низкая водоудерживающая способность (большие значения показателя фильтрации).

Лекция № 11

2.4. Известково-кремнеземистый цемент

бурения скважин П.С. Чубик

Получают путем термической обработки природного гипсового камня – сульфата кальция (CaSO4·2H2O).
Гипс – быстросхватывающееся и быстротвердеющее (≈ 15 мин.) вяжущее вещество, но гипсовый камень не водостоек (размягчается в воде). Поэтому гипс обычно используют с добавками веществ, замедляющих схватывание и повышающих водостойкость.

Лекция № 11

2.5. Гипс

бурения скважин П.С. Чубик

Получают обжигом магнезита (MgCO3) или доломита (MgCO3 ·CaCO3).
Очень медленно твердеет при затворении водой, поэтому его затворяют водным раствором MgCl2 и применяют для тампонирования тех участков ствола скважины, которые сложены солями магния (карналлит, бишофит).
Тампонажный камень из всех других минеральных вяжущих веществ в контакте с солями магния разрушается.

Лекция № 11

2.6. Магнезиальный цемент

бурения скважин П.С. Чубик

Чаще всего используют мочевиноформальдегидные (карбамидные), фенолоформальдегидные и эпоксидные смолы.
В качестве отвердителя таких смол применяют щавелевую, фосфорную и соляную кислоты, а также хлорное железо, хлорный цинк, хлористый аммоний и др.

Лекция № 11

2.7. Органические вяжущие вещества (синтетические смолы)

бурения скважин П.С. Чубик

Лекция № 11

3. Краткая характеристика добавок к вяжущим веществам

осадочные

вулканические

Добавки к вяжущим веществам

Химически активные

Инертные

природные

искусственные

облегчающие

утяжеляющие

закупоривающие

Диатомиты
Трепелы
Опоки
Глиежи

Пеплы
Туфы
Пемзы
Трассы

Топливные золы и шлаки
Доменные шлаки
Искусственно обожженные глины и др.

Бентонит
Перлит
Пуццолан
Гильсонит
Диатомито-вая земля

Песок
Барит
Железная руда
Известняк
Пиритовые огарки

Резиновая крошка
Слюда
Торф
Ореховая скорлупа
Стеклово-локно и др.

бурения скважин П.С. Чубик

Диатомиты – землистые, рыхлые или сцементированные кремнистые породы, более чем на 50 % состоящие из панцирей диатомей (диатомитовых водорослей) и содержащие до 70…80 % растворимого кремнезема.
Трепелы – рыхлые или слабосцементированные очень легкие тонкопористые осадочные породы, аналогичные по физико-техническим свойствам диатомитам.
Опоки – продукт изменения диатомитовых трепелов, содержащий до 92…98 % кремнезема в аморфном состоянии.
Глиежи – глина, обожженная при подземных пожарах в угольных пластах.
Туфы – породы, образовавшиеся из твердых продуктов вулканических извержений.

Лекция № 11