Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния вопроса и постановка задачи исследования 8
1.1 Факторы, влияющие на формирование цементного кольца в затрубном пространстве 8
1.2 Анализ применения тампонажных материалов 15
1.3 Анализ технологий получения облегченных тампонажных материалов 18
1.4 Выводы по главе 1. Определение цели и задач работы 20
2 Обоснование требований к облегченным тампонажным материалам 22
2.1 Плотность тампонажного раствора . 22
2.2 Седиментационная устойчивость тампонажного раствора.. ... 35
2.3 Водоотдача тампонажного раствора 42
2.4 Расширение облегченных тампонажных цементов 44
2.5 Микроструктура камня из облегченного тампонажного материала 55
2.6 Обоснование технологии получения облегченного тампонажного материала. 63
2.7 Выводы по главе 2 t. 66
3. Приборы, методы и средства для исследования тампонажных материалов 69
З 1 Определение объемных деформаций твердеющего тампонажного раствора в условиях, приближенных к скважинным 70
3.2 Устройство для определения объемных деформаций и кон тактных напряжений при расширении твердеющих систем. , 72
3.3 Устройство для определения контактного давления при расширении цемента 74
3.4 Исследования промышленных отходов в качестве сырьевых компонентов для производства облегченных тампонажных материалов 75
3.5 Выводы по главе 3 83
4 Исследования и разработка облегченных расширяющихся тампонажных цементов для цементирования скважин в сложных геологи ческих условиях 85
4.1 Состав и свойства облегченных расширяющихся тампонажных материалов 85
4.1.1 Облегченные цементно-зольные расширяющиеся цементы 85
4.1.2 Расширяющийся цементно-зольно-известково-шлаковый состав 97
4.1.3 Облегченные цементы с закупоривающими свойствами 100
4.2 Особенности дезинтеграторной активации цементно-зольно-известковых тампонажных материалов 105
4.2.1 Степень измельчения облегченных тампонажных материалов при активации в дезинтеграторе 105
4.2.2 Влияние дезинтеграторной обработки на водопотребность облегченных тампонажных материалов 108
4.2.3 Седиментационная устойчивость и фильтрационные свойства цементно-зольно-известковых тампонажных растворов из смесей дезинтеграторного приготовления 111
4.2.4 Влияние дезинтеграторной активации на реологические свойства цементно-зольно-известковой композиции 113
4.2.5.Влияние дезинтеграторной активации на сроки схваты вания и загустевания цементно-зольно-известковых композиций 115
4.2.6Лрочность камня из цементно-зольно-известковой смеси дезинтеграторного приготовления 118
4.2.7. Коррозионная стойкость цементно-зольно-известковой смеси дезинтеграторного приготовления 126
4.3. Разработка технологической линии приготовления цементно-зольно-известкового тампонажного материала 128
4.4. Технологические режимы приготовления и активации цементно-зольно-известкового тампонажного материала 133
4.5. Промышленное применение облегченных цементно-зольно- известковых тампонажных материалов 137
Основные выводы и рекомендации 142
Литература 144
Приложения 158
- Факторы, влияющие на формирование цементного кольца в затрубном пространстве
- Плотность тампонажного раствора
- Определение объемных деформаций твердеющего тампонажного раствора в условиях, приближенных к скважинным
- Облегченные цементно-зольные расширяющиеся цементы
Введение к работе
В последние годы расширяются объемы бурения скважин в новых регионах с сильно осложненными геологическими условиями. Большое внимание при этом уделяется вопросам сохранения коллекторских свойств пластов, т.е. заканчивание скважин должно производиться без загрязнения продуктивных пластов с подъемом тампонажного раствора на максимальную высоту за обсадной колонной для обеспечения надежной герметичности заколонного пространства. Такие требования в большинстве случаев можно обеспечить лишь применением облегченных цементов.
В настоящее время разработаны и применяются как специально выпускаемые облегченные тампонажные цементы, так и цементы, модифицируемые облегчающими компонентами, добавляемыми непосредственно на буровой. К сожалению, большинство применяемых облегченных тампонажных цементов имеют значительную усадку, низкую прочность, они седиментационно не устойчивы (кроме гельцементов) и коррозионно не стойки. Несмотря на большой объем работ по исследованию и разработке облегченных тампонажных материалов задачу нельзя считать решенной и поэтому одним из перспективных путей повышения качества крепления скважин является разработка облегченных расширяющихся цементов с повышенными прочностными свойствами и коррозионной стойкостью.
Цель работы. Повышение качества крепления скважин путем разработки облегченных расширяющихся тампонажных цементов с улучшенными технологическими свойствами.
Основные задачи работы
1. Обоснование требований к облегченным тампонажным материалам.
2. Обоснование и исследование облегчающих добавок и регуляторов свойств облегченных цементов.
3. Разработка и исследование облегченных тампонажных материалов с эффектом расширения.
4. Обоснование и разработка технологии получения и применения облегченных расширяющихся цементов.
5. Разработка нормативной документации и опытно-промышленные испытания.
Научная новизна
1. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность получения облегченных расширяющихся цементов с повышенной прочностью и коррозионной стойкостью.
2. Показана возможность управления седиментационными процессами облегченных тампонажных суспензий регулированием гранулометрического состава, формы частиц твердых компонентов смеси и вязкости жидкости затворения.
3. Подтверждена повышенная чувствительность процессов расширения облегченных цементов к гидравлическому давлению поровой жидкости, которое значительно снижает величину расширения.
4. Выявлено, что повышенная упругая деформация при сжатии облегченных расширяющихся цементов обеспечивает поддержание на длительное время радиальных и тангенциальных напряжений, компенсирующих образование зазоров при изменениях давления в колонне.
5. Уточнена взаимосвязь между режимом дезинтеграторной активации и микроструктурой камня из облегченных цементов. Показана возможность получения тампонажного камня с повышенной коррозионной стойкостью и однородной структурой, характеризующейся порами радиусом 0,01-0,05 мкм.
Практическая ценность
1. Разработаны требования к материалам для получения облегченных расширяющихся тампонажных композиций.
2. Разработаны рецептуры облегченных расширяющихся тампонажных материалов,
3. Разработана технология получения и применения облегченных расширяющихся тампонажных материалов.
4. Разработаны технологические регламенты на выпуск и применение облегченных расширяющихся тампонажных цементов.
Реализация работы в промышленности 1. Разработаны облегченные расширяющиеся тампонажные материалы. Технология их получения и применения апробирована при изготовлении
специальных цементов и креплении скважин в АО "Актюбемунайгаз" и СП 11 Казахтуркмунай", ОАО «Лукойл-Бурение», ОАО «Удмуртнефть-Бурение».
2. Разработаны и утверждены нормативные документы на изготовление и применение облегченных расширяющихся цементов,
3. Выпущено несколько опытно-промышленных партий облегченных расширяющихся тампонажных цементов, по 60-100 тонн в Казахстане, а также 1500 тонн облегченных цементов в ОАО «Новотроицкий цементный завод».
Защищаемые положения
1. Обоснование целесообразности применения облегченных расширяющихся тампонажных цементов для цементирования скважин.
2. Составы облегченных расширяющихся и коррозионно-стойких тампонажных цементов с технологическими свойствами, регулируемыми в широких пределах.
3. Технология получения и применения облегченных расширяющихся тампонажных цементов и растворов.
Апробация работы
Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались: на III Всесоюзной конференции - дискуссии «Формирование и работа
цементного камня в скважине» (Краснодар, 1991г.); Международной научной конференции «Проблемы подготовки кадров для строительства и восстановления газовых и нефтяных скважин на месторождениях Западной Сибири» (Тюмень, 1996г.); I Международном совещании по химии и технологии цементов ВХТУ, (Москва, 1996г.); III международной конференции «Освоение шельфа арктических морей России», (Санкт-Петербург, 1997г.); I Международном конгрессе «Экологическая методология возрождения человека и планеты Земля», (Алматы, 1997г.); Всероссийской научно-практической конференции «Экологические проблемы и пути решения задач по длительной сохранности недр и окружающей среды», (Тюмень, 1997г.); Международной научно-технической конференции «Современные проблемы строительного материаловедения», (Казань,
1997г.); Втором Международном симпозиуме «Наука и технология углеводородных дисперсных систем», (Уфа, 2000г.); Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы совершенствования технологий строительства скважин и подготовки кадров для Западно-Сибирского нефтегазодобывающего комплекса», (Тюмень, 2000г.); Международной научно-технической конференции «Современные проблемы геофизики, геологии, освоения, переработки и использования углеводородного сырья», посвященной 20-летию образования Атырауского института нефти и газа, (Атырау, 2000г.); научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых- (Уфа, 1997, 1998, 1999 гг.; Научно-технических советах АО «Актюбемунайгаз», (Актюбинск, 1997, 1998гг.) и СП «Казахтуркмунай лтд.» (Алматы 1998г., Астана 1999г.).
Публикации, Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 25 печатных работах, в том числе в 7 патентах на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов и рекомендаций. Работа изложена на 157 страницах, включает 23 рисунка, 28 таблиц и 4 приложения на 18 страницах Список использованной литературы состоит из 145 наименований.
Факторы, влияющие на формирование цементного кольца в затрубном пространстве
В формировании качественного цементного кольца, обеспечивающего надежную герметичность заколонного пространства, существенную роль играют породы, в контакте с которыми происходит структурообразование и твердение цемента, температура, давление и агрессивная среда.
Осложнения, связанные с поглощением и большой высотой подъема цементного раствора, встречаются почти во всех нефтяных, газовых и газокон-денсатных месторождениях земного шара. Аномально низкие давления, приводящие к поглощению буровых и тампонажных растворов, встречаются при бурении нефтяных и газовых скважин почти повсеместно и на различных глубинах, вплоть до 4000 - 4500 м.
Как показывают анализы процессов бурения и цементирования скважин, промывочные и цементные растворы поглощаются в основном в карбонатных отложениях и пластах с низким градиентом гидроразрыва. Поглощение раствора в песчаных породах аналогично поглощению воды в нагнетательных скважинах. Известны поглощения в сильно дренированных пластах с обычными коллекторами на месторождениях Апшерона, Северного Кавказа, Поволжья, Сибири и Казахстана, которые находятся в поздней стадии разработки и в сильно дренированных газовых пластах [1,2,3,4,5], а также в новых нефтегазовых регионах.
Исследованиями [4,6,7] установлено, что поглощения при разбуривании трещиноватых пластов имеют различный характер: от частичных до катастрофических. Высокая гидропроводность таких пластов, определяемая проницаемостью трещин, приводит к тому, что даже незначительные превышения давления в скважине над пластовым давлением вызывает движение жидкости из скважины в пласт. Опыт борьбы с поглощениями промывочного и цементного растворов при бурении и креплении скважин на нефтяных месторождениях Урало-Поволжья показал, что проницаемость трещин изменяется в широком диапазоне от единиц до нескольких десятков Дарси [10]. Поэтому разработка эффективных методов цементирования пластов с аномально низкими давлениями во многом определяется изученностью гидрогеологических характеристик поглощающего пласта и соответствия свойств тампонажных растворов данным условиям.
Поглощения могут происходить вследствие нарушения технологических норм бурения или отклонения от заданных параметров буровых и цементных растворов [11-15]. При бурении и цементировании трещиноватых пластов верхнемеловых отложений на месторождениях Грознефти происходили различные осложнения, вызываемые поглощениями бурового и цементного растворов, вследствие снижения пластового давления в процессе эксплуатации залежи [16]. Наибольшее падение давления наблюдается на площади Эльдарово, где пластовое давление соответствует гидростатическому давлению столба жидко "і сти плотностью 700 кг/м . Аналогичные явления наблюдались почти во всех истощающихся продуктивных горизонтах [17-22]. Интенсивное поглощение буровых и цементных растворов происходит при бурении глубоких и сверхглубоких скважин на различных месторождениях Мангышлака, Устюрта, Казахстанской части Прикаспийской впадины [22-24]. Строительство газовых, газоконденсатних и нефтяных скважин на месторождениях Западной и Восточной Сибири, Севера Тюменской области также осложнено наличием высокопроницаемых пластов с низкими коэффициентами градиентов гидроразрыва и значительным интервалом низких положительных и отрицательных температур. По данным [2,3,25,26,72,143] при цементировании обсадных колонн, в указанных случаях, не удавалось под 10 нять тампонажные растворы до расчетной высоты за колонной из-за поглощений против склонных к гидроразрыву и высокопроницаемых пластов Для цементирования скважин в условиях, содержащих пласты с аномально низким давлением, пласты с низким градиентом гидроразрыва применяются облегченные тампонажные растворы с плотностью 1450-1700 кг/м с добавкой разнообразных облегчающих добавок, в качестве которых применяются глины, диатомит, опока, пемза, золы-унос, перлит, запечная пыль элекртрофильтров, воздухо- и газо наполненные микробаллоны, торф, сопра-пель, вермикулит, мел, уголь, керамзитовая пыль и д.р.
Применение различных видов облегченных тампонажных материалов, хотя и в определенной степени решает проблему подъема тампонажного раствора до устья в одну ступень, но качество разобщения пластов остается пока еще низким. Часты случаи межпластовых перетоков и заколонных проявлений. Высок объем ремонтных работ в добывающих скважинах по причине негерметичности заколонного пространства скважин.
Для выяснения этих причин рассмотрим факторы, влияющие на формирование и работу цементного камня в заколонном пространстве. Формирование контакта колонна-цемент-порода сильно зависит от свойств горных пород, слагающих разрез скважины, в окружении которых формируется цементный камень. Примером могут служить соленосные отложения, встречающиеся почти во всех нефтегазоносных регионах земного шара. В каждом регионе имеются свои особенности [27-34-37], связанные с различной мощностью, глубиной залегания, химическим составом солей, температурой и давлением в пласте, наличием терригенных пачек, поглощающих и осыпающихся пропластков, кавернообразованием и другими факторами, отрицательно влияющими на качество формирования надежного изоляционного комплекса скважин.
В последние годы, как в России, так и за рубежом проведен ряд исследований по проблеме цементирования скважин в соленосных отложениях [29,31,37,43,4-46]. Разработан ряд облегченных тампонажных материалов для цементирования скважин в солях и исследованы их физико-химические и технологические свойства.
Все эти тампонажные материалы обладают водопотребностью (В/Т = 0,8 и более), что приводит к снижению механической прочности цементного камня и силы сцепления его с соляными породами. Большое внимание вопросам крепления скважин в соленосных отложениях уделялось в США и Канаде[29]. В США для перекрытия соленосных отложений использовались расширяющиеся цементы с пониженной водоотдачей и с добавлением понизителей вязкости.
Для обеспечения высоты подъема цемента на всю длину (2000-3000 м) колонны в одну ступень при цементирования в солях, в зависимости от мощности и пластичности солей и глубины залегания поглощающих пластов, должны применяться облегченные тампонажные материалы. Плотность облегченного тампонажного раствора, как показывает практика, находится в пределах 1500-1650 кг/м3. Так же как и в солях, при применении обычных облегченных цементов не удается получить хорошее качество сцепления цементного камня со слагающими стенки скважины глинистыми породами. Это в основном зависит от типа этих пород.
Плотность тампонажного раствора
Величина плотности тампонажного раствора устанавливается исходя из необходимости создания противодавления на пласты, предотвращения газо-нефтепроявлений, гидроразрыва пластов и поглощения цементных растворов, а также для обеспечения необходимой высоты подъема раствора. Кроме того, плотность тампонажного раствора имеет важное значение для обеспечения полноты вытеснения бурового раствора цементным. Фильтрат цементного раствора, проникая в продуктивный пласт, ухудшает коллекторские свойства пород [88,142]. Глубина фильтрации при одинаковой проницаемости пород и глинистой корки зависит, в основном, от количества фильтрата и от перепада давления на пласт. По данным [88] Уф«.=Кв -ДРф,-В (2.1) где уфц, - количество жидкости затворения, отфильтровавшейся в интервале проницаемой зоны, л; К„ - коэффициент полной проницаемости ствола скважины по глинистому раствору, л/с/ МПа; т - время контактирования цементного раствора с проницаемыми зонами, с; ДРфцг перепад давления при фильтрации, МПа; В - коэффициент, учитывающий водоотдачу цементного раствора; .- + (Р,-Р,) -Л.. (2.2) где Я - глубина спуска колонны, м; РР и Рц - плотности бурового и цементного растворов, кг/м3; h - высота подъема цементного раствора, м; Рт - пластовое давление, Мпа. Из формулы видно, что чем меньше плотность цементного раствора, тем меньше давление на пласт. Из формулы (2.2) также видно, что чем меньше перепад давления на пласт, тем меньше проникновение фильтрата в пласт и минимальная фильтрация цементного раствора в пласт будет в случае минимальной величины [рч -ря). Этого можно достичь при применении облегченных и супероблегченных цементов. Естественно, они должны обладать минимальной водоотдачей.
Применение облегченных тампонажных растворов может сохранить герметичность контакта цементного камня с обсадной колонной. Суть данного тезиса, на первый взгляд противоречивого, состоит в следующем. После ОЗЦ, при замене продавочной жидкости в колонне на воду, за счет отхода колонны от цементного кольца образуется зазор, который является одной из причин заколонных проявлений. При применении традиционного тампонажного портландцемента плотность раствора составляет 1800-1900 кг/м3 и с учетом фильтрации части жидкости затворения в пласт плотность цементного раствора может доходить до 1950-2000 кг/м3. Это в свою очередь вызывает необходимость применения в качестве продавочной жидкости растворов с плотностью 1300-1400 кг/м с целью уменьшения нагрузок на цементировочные агрегаты. А затем, при замене бурового раствора на воду между колонной и цементным кольцом образуется зазор.
Применение облегченных тампонажных материалов позволяет использовать в качестве продавочной жидкости воду и предотвратить образование указанного зазора, а также облегчить работу цементировочных агрегатов. Так, например, при применении тампонажного раствора с плотностью 1900 кг/м и продавочной жидкости с плотностью 1300 кг/м разница плотностей 600 кг/м3 создает на агрегате давление 12 МПа при высоте подъема цемента 2000 м без учета гидравлических потерь.
При применении облегченного цемента с плотностью раствора 1400 кг/м и в качестве продавочной жидкости воду с плотностью 1000 кг/м раз-ница плотностей составит 400 кг/м , при этом давление на агрегате, без учета гидравлических потерь при той же высоте подъема цементного раствора 2000м составит 8,0 МПа. Указанные факты свидетельствуют о необходимости разработки облегченных тампонажных цементов, не уступающих по свойствам применяемым тампонажным портландцементам. Применение облегченных цементных растворов облегчает технологические процессы цементирования. Дело в том, что значительная разность плотностей тампонажного и бурового растворов при цементировании глубоких скважин часто приводит к разрыву сплошности столба цементного раствора, и процесс цементирования практически становится неуправляемым. Скорости восходящего потока в затрубном пространстве скважин могут превышать расчетные в 1,8 - 2,1 раза. Это приводит к дополнительному неконтролируемому выносу шлама из каверн, закупорке затрубного пространства, к гидроразрыву пластов, недоподъему цементного раствора на требуемую высоту, к оголению башмака за счет перетока продавочной жидкости под продавочную пробку.
В этой связи одним из критериев выбора плотности тампонажного раствора является получение безотрывного течения в процессе цементирования. В случае, когда объем тампонажного раствора равен или превосходит объем обсадных труб, отрыв должен наступить при высоте столба, равной длине колонны. Давление в насосах цементировочных агрегатов в процессе закачки тампонажного раствора будет понижаться и в какой-то момент времени достиг нет нуля. Для этого момента по принципу Д Аламбера можно записать уравнение равновесия: St - площадь поперечного сечения обсадных труб по внутреннему диаметру, м2; g - ускорение свободного падения, м/с ; др- разность плотностей тампонажного и бурового растворов, кг/м3; h - высота подъема тампонажного раствора, м. FUH- сила инерции столбов жидкости в скважине, составляет в реальных условиях (0,3 -0,5%) Fnom и, поэтому, для практических расчетов ей можно пренебречь.
Определение объемных деформаций твердеющего тампонажного раствора в условиях, приближенных к скважинным
Для определения объемных деформаций в процессе структурообразо-вания и твердения вяжущего в условиях высоких температур (до 200 С) и давлений (до ЮОМПа) использована установка, приведенная на рис.3.1 и подробно описанная в [63]. Принцип метода основан на дистанционном измерении перемещения поршневого устройства. Для повышения чувствительности метода и определения малых перемещений впервые в таких установках применены индуктивные преобразователи, что позволяет фиксировать перемещение с точностью до 2 мкм по шкале применяемого в установке электронного самопишущего потенциометра ДСМР-2. В установке для измерения объемных деформаций использованы автоклав, узел задания давления, трубчатый электронагреватель от стандартных консистометров КЦ-3 и КЦ-4. Измерительная система этих приборов усовершенствована за счет повышения чувствительности. Сила сцепления цементного камня с металлом по напряжению сдвига определялась после его твердения в течение 2, 7 и 28 суток выдавливанием камня из стакана гидравлическим прессом после окончания опыта по определению линейных деформаций цементного камня. і Рис, З Л Схема установки для определения объемных деформаций твердеющего раствора в условиях, приближенных к. скважинньш I «автоклав; 2-датч.шс дифферетщиалшо-транеформаторного типа; 3-регистрирующий прибор; перфорированный поршень с толкателем; 5-вода; б-тампонажиый раствор; 7-НЙЖЙИЙ поршень: 8-стакан. Устройство для определения объемных деформаций и контактных напряжений при расширении твердеющих систем Известно, что ограничение расширения в зависимости от давления оказывает существенное влияние на величину деформации расширения. Существующие приборы не позволяют одновременно измерить давление и деформацию расширения. Для измерения изменения давления расширения твердеющих систем при действии ограничивающих нагрузок было использовано специальное устройство (рис.3.2) [34]. Устройство состоит из стакана 1, заглушки 2, стопорной вилки 3, подвижного поршня 4 с жестко связанным с ним сердечником 5, перемещающимся в немагнитном кожухе 6 с надетой на него катушкой индуктивности 7, выполненной по дифференциально - трансформаторной схеме, являющейся частью регистрирующего узла. Регистрирующий узел состоит из генератора 8 синусоидальных колебав ний, пикового генератора 9, усилителя 10, блока обратной связи 11, блока установки нуля 12 и самописца 13.
Всякое измерение объема исследуемого образца будет вызывать линейное перемещение поршня и жестко связанного с ним сердечника 5 дифференциально-трансформаторной катушки 7, связанной с электронной схемой, позволяющей с высокой степенью точности регистрировать эти перемещения (до 0,01мм). В реальных условиях это напряжения, возникающие в контакте расширяющийся цемент-порода и расширяющийся цемент - обсадная колонна. Устройство позволяет получить данные о деформации расширения там-понажных цементов в условиях, приближенных к скважинным. Это позволяет рассчитывать ожидаемые напряжения в контактах цемент - порода, цемент - трубы, необходимые для создания высокой герметичности заколонно-го пространства. 2 З з—х к о кхх Рис. 3.2 Устройство для определения объемных деформаций и . Устройство для определения контактного давления при расширении цемента Измеритель контактного напряжения типа ИКН-1 предназначен для определения контактного напряжения на границе цементное кольцо — металлическая труба или порода при расширении твердеющих тампонажных растворов, предназначенных для крепления скважин. Измеритель обеспечивает: - измерение контактного напряжения на границе цементный камень - металл; - выдачу измеряемого параметра на стрелочный индикатор в единицах давления (усилий, при градуировке в указанных единицах); - преобразование измеряемого параметра в унифицированный токовый сигнал 0...5 тА и выдачу на дистанционный самопишущий прибор. Диапазон измерения усилия, кг 0...20 Выходной ток, пропорциональный измеряемому параметру, мА 0...5 Питание: Напряжение сети, В 220±15 Частота, Гц 50±1 Потребляемая мощность, не более, В А 5 Продолжительность непрерывной работы, ч 8 Температура окружающей среды, С +1.. .+35 Относительная влажность воздуха при температуре+25 С, не более 80 Атмосферное давление, КПа 80... 106 3.4 Исследования возможности применения промышленных отходов в качестве сырьевых компонентов для производства облегченных тампонажних материалов Как отмечалось выше, долговечные облегченные тампонажные цементы могут быть получены из веществ с минимальной собственной активностью, содержащие свободные оксиды кальция, магния и другие минералы, обеспечивающие расширение при гидратации. Представляют интерес саморассыпающиеся шлаки (СРШ ) производства рафинированного феррохрома, получаемые в порошкообразном виде с удельной поверхностью 3200 - 3600 см /г, т.е. по тонкости помола одинаковые с тампонажным портландцементом. При использовании этих шлаков не требуются затраты энергии на помол.
Облегченные цементно-зольные расширяющиеся цементы
Цементно-зольный облегченный расширяющийся цемент получают путем совместного помола тампонажного портландцемента с низкокальциевыми золами и расширяющей добавкой. Введение 30-80 % золы в цемент при незначительном увеличении водо-цементного отношения (0,55-0,7) позволяет получить облегченные растворы с плотностью 1660-1500 кг/м3. При этом растекаемость раствора находится в пределах 200-210 мм. По прочностным показателям это удовлетворяет требованиям ГОСТа 1581-96 на облегченные цементы. Однако эти составы обладают большой водоотдачей, седиментационно неустойчивы и усадочные. Из-за низкой прочности облегченной цементно-зольной смеси не во всех случаях получается удовлетворительное качество цементирования колонны, особенно в интервале температур 20 - 40 С. Из табл. 4.1 видно, что с умень СаО л А шением —— меньше 1,0 снижается прочность камня в температурном ин ОїС/2 тервале 20-75 С, увеличивается проницаемость камня. Также было исследовано влияние температуры на свойства цементно-зольной смеси (табл.4.2). Из нее видно, что прочность камня от содержания золы с увеличением тем -M Таблица 4.1 Свойства цементно-зольных тампонажных материалов Состав, % В/Ц Расте-кае-мость, мм Плотность, кг/м3 Водо-отделе-ние,% Объемная де-форма-ция, % схватывания»Ч-МИН Прочность на изгиб,МПа Прочность на сжатие,МПа Проницаемость, пературы увеличивается. При добавлении пылевидной топливной золы к тампонажному портландцементу в количестве 50-60% можно получать облегченные термостойкие цементы в интервале температур 100 - 160 С. В то же время из-за нехватки щелочи значительное количество золы остается не связанной. По данным РСА камень из цементно-зольных смесей, твердеющий при температуре 100 - 200 С и давлении 50 МПа состоит в основном из CSH(B) алюминий замещенного тоберморита, гидрогранатов, свободного БіОг и остатков золы. Это является причиной увеличения проницаемости и падения прочности камня. Свободный SiC 2 и остаток золы можно связать за счет увеличения количества цемента в смеси, но при этом увеличивается плотность раствора. При сохранении плотности облегченной цементно-зольной смеси для связывания свободного SiCb и остатков золы эффективным является введение в состав дополнительного количества извести, до отношения CaO/SiO = 0,9-1,6.
Учитывая сказанное, было исследовано влияние извести на свойства цементно-зольной смеси. Зольно-известковую смесь готовили по следующей схеме: брали золу 30% влажности и по графику (рис.2.11) определяли необходимое количество негашеной извести, которое равно 30%. Активность извести была равна 65%. Смеси перемешивали до влажности, равной 3%. Готовую известково-зольную смесь смешивали с тампонажным портландцементом. Составы готовились при различных соотношениях СаО к SI02- Результаты экспериментальных исследований приведены в табл.4.3,4.4. Введение в состав цементно-зольной смеси извести приводит к повышению прочности камня в интервале температур 20-160 С. При этом в интервале температур 20-60 С оптимальная прочность получена при соотношении СаО / S1O2 в пределах 1,6-1,4. Дальнейшее снижение СаО / Si02 приводит к некоторому снижению прочности камня, но в пределах, отвечающих требованиям ГОСТа 1581-96. Увеличение температуры до 100-160 С увели Таблица 43 Свойства цементно-зольно-известковой тампонажной смеси Состав,% CaO/Si02 В/Ц Расте-кае-мость,мм Плотность, кг/м3 Водоот-деление,% Сроки схватывания, ч-мин, при t С чивает прочность камня при всех исследованных составах. Уменьшение CaO / SiC 2 от 1,6 до 0,93 также увеличивает прочность камня на изгиб и сжатие на 15-25%. По данным рентгеноструктурного анализа и деривато-грамме цементный камень в основном сформирован низкоосновными гидросиликатами кальция CSH(B), алюминий замещенным тоберморитом и гидрогранатами, которые являются термодинамически устойчивыми фазами. Плотность раствора находится в пределах 1480-1640 кг/м3. Введение извести в состав цементно-зольной смеси снижает водоотделение почти в три раза и в некоторой степени ускоряет сроки схватывания. По сравнению с облегченными цементами у цементно-зольно-известковой смеси водопотребность в 1,5 -2 раза меньше. Например, для получения растворов с указанной плотностью тампонажные составы с добавкой опоки, диатомита, глинопорошков имеют водопотребность 0,8-1,2 против 0,55-0,7 для цементно-зольно-известковых смесей, что положительно сказывается на технологических параметрах облегченных тампонажных материалов. На рис.4.1 приведена кинетика расширения наиболее рациональных составов при Т= 20 С. Введение извести в состав цементно-зольной смеси приводит к слабому расширению твердеющего раствора, которое происходит за счет извести, оставшейся негашеной Такое маленькое расширение не обеспечивает необходимой герметичности контактных зон. Если учесть, что определенное количество извести гасится в процессе цементирования, то в заколонном пространстве вряд ли будет расширение. В связи с этим необходимо было разработать расширяющие добавки к данной тампонажной композиции, обеспечивающие равномерное необходимое расширение смеси по всему стволу скважин в широком температурном интервале 20-160 С. Для этого была исследована возможность получения облегченных тампонажных расширяющихся цементов на основе цементно-зольно-извест 0,40 сиды кальция магния и алюмосульфатных соединений. Эксперимент показал, что за счет введения в состав цементно-зольно-известковой смеси запечной пыли в количестве до 11-15% в условиях температур 20-80 С можно получить расширение до 2,0% при сохранении прочностных свойств цементного камня и водоцементного отношения на требуемом уровне (табл.4.5).
Похожие диссертации на Разработка облегченных расширяющихся тампонажных цементов для крепления скважин
