Регулирование свойств тампонажных растворов и камня

17.11.2020

Свойства тампонажных растворов и камня существенно зависят как от состава тампонажной смеси, так и от водосодержания, химического состава воды, температуры и давления в цементируемой зоне скважины. Так, с увеличением водосодержания, с одной стороны, улучшается подвижность тампонажного раствора, уменьшаются плотность, пластическая вязкость и динамическое напряжение сдвига, увеличиваются сроки загустевания и схватывания его; с другой стороны, с увеличением водосодержания возрастает водоотдача и ухудшается седиментационная устойчивость раствора, быстро уменьшается прочность, возрастают пористость и проницаемость камня (рис. 64), т. е. ухудшаются те свойства последнего, которые определяют способность герметично разобщать проницаемые пласты. Диапазон изменения водосодержания, при котором раствор сохраняет достаточную седиментационную устойчивость при хорошей подвижности, а камень — изоляционную способность, весьма невелик; например, для тампонажного портландцемента — примерно от 0,4 до 0,5. Поэтому, если приходится увеличивать водосодержание раствора для уменьшения плотности, необходимо принять меры для обеспечения седиментационной устойчивости и требуемых сроков загустевания его, а также способности к надежному разобщению проницаемых пластов. Такими мерами могут быть выбор тампонажной смеси подходящего состава, либо добавление к раствору специальных химических веществ, способствующих ускоренному структурообразованию в нем и кольматации (закупориванию) пор в растворе и камне, либо обе эти меры одновременно. Если же водосодержание приходится уменьшать с целью увеличения плотности раствора, к нему добавляют поверхностно-активные вещества, улучшающие подвижность.

Впрочем, возможность увеличения плотности за счет снижения водосодержания весьма ограничена.

Наиболее эффективным способом регулирования таких свойств тампонажных растворов, как подвижность, сроки загустевания и схватывания, водоотдача, является ввод специальных химических веществ в воду, на которой затворяется тампонажная смесь. Условно реагенты можно разделить на следующие группы: а) ускорители схватывания; б) замедлители схватывания; в) понизители водоотдачи; г) пластификаторы, улучшающие подвижность растворов. Условность такого деления состоит в том, что реальные реагенты многофункциональны, т. е. могут одновременно действовать, скажем, как замедлители схватывания и как пластификаторы, или даже как ускорители схватывания при одной концентрации и как замедлители — при другой. Поэтому оптимальное количество реагента всегда выбирают опытным путем, причем эксперименты проводят именно с той тампонажной смесью, которая предназначена для цементирования данной скважины.

Ускорители схватывания. В качестве реагентов, интенсифицирующих реакции гидратации и ускоряющих загустевание и схватывание тампонажных растворов, используют карбонат калия K2CO3, хлориды кальция (рис. 65), натрия, алюминия, кальцинированную Na2CO3 и каустическую NaOH соды, сернокислый глинозем, силикат натрия и другие вещества. Некоторые из этих веществ применяют в качестве ускорителей схватывания как при низких положительных, так и при отрицательных температурах (K2CO3, CaCl2, NaCl), другие — только при положительных температурах. Силикат натрия и кальцинированную соду используют и для ускорения схватывания и твердения малоактивных тампонажных смесей (шлако-песчаных, белито-кремнеземистых) при недостаточно высокой температуре, а хлорид натрия и поташ K2CO3 — также для снижения температуры замерзания воды. К числу наиболее сильных ускорителей относятся поташ, хлориды кальция и алюминия, кальцинированная сода и силикат натрия. При значительной добавке хлоридов (примерно более 5%) долговечность портландцементного камня снижается.

Замедлители схватывания. В качестве замедлителей схватывания при цементировании скважин используют в основном гидрофильные ПАВ, которые адсорбируются на частицах вяжущего и образуют пленки, которые затрудняют проникновение воды внутрь частиц и тем самым замедляют их гидратацию. К числу наиболее эффективных замедлителей схватывания относятся карбосульфат, технический винный камень (при температурах до 200°С), виннокаменная кислота (рис. 66) и ее производные (до 170°С), трилон Б (до 160°С), лигносульфонаты кальция (ССБ, КССБ, окзил и др.), сунил, карбоксиметилцеллюлоза КМЦ (до 140—150°С), синтан ПЛ, полифенол лесохимический ПФЛХ, нитролигнин (до 100°C), борная кислота (до 120°С), смесь борной и виннокаменной кислот (до 200°С), а также смеси гипана, КМЦ или ССБ с хроматами калия или натрия (до 150°С) и др. Некоторые из этих реагентов (ССБ, КССБ, ПФЛХ) вызывают вспенивание раствора, поэтому вместе с ними в раствор добавляют пеногасители: соапстоки, контакты (черный, НЧК, газойлевый), костный жир, флотомасло, кальциевый мылонафт, полиметилсилоксановую жидкость ПМС или др. Эти пеногасители, кроме ПМС, предварительно растворяют в керосине или дизельном топливе, после чего вводят в цементный раствор. ПМС растворяют непосредственно в воде, на которой приготовляют тампонажный раствор.

Пластификаторы. Пластификаторами обычно называют вещества, существенно уменьшающие динамическое напряжение сдвига, а иногда также пластическую вязкость, и, следовательно, улучшающие подвижность тампонажных растворов. Хорошее пластифицирующее воздействие оказывают такие ПАВ, как полиакриламид ПАА, виннокаменная кислота и ее производные (до 180—200°С), лигносульфонаты, гипан с хромпиком (до 150°С), нитролигнин, дубители (ГИФ-1, Д-4, Д-12 и др.). ПАВ добавляют обычно в количестве от 0,1 до 1,5% от массы цемента в зависимости от температуры. Следует заметить, что характер влияния ПАВ довольно сложный; некоторые из них при определенных концентрациях могут не только не разжижать, но даже загущать тампонажные растворы.

Понизители водоотдачи. Уменьшить водоотдачу тампонажных растворов можно путем ускоренного формирования в них коллоидной структуры, диспергированием частиц твердой фазы и развитием вокруг них гидратных оболочек, а также путем кольматации пор в корке, образующейся на проницаемых стенках скважины в начальный момент отфильтровывания свободной воды. Для регулирования водоотдачи широко практикуют добавление к цементу небольшого количества (2 — 6%) высококачественного бентонита и органических высокомолекулярных полимеров (от 0,1 до 2% в зависимости от свойств полимера). К числу эффективных понизителей водоотдачи можно отнести карбосульфат (до 200°С), соли виннокаменной кислоты (до 180°С), лигносульфонаты, борную кислоту, КМЦ (до 130—150°С), полиакриламид, гипан, этансульфонатцеллюлозу, поливиниловый спирт (до 100—130°С) и другие вещества. Эффективность снижения водоотдачи производными полиакриловой кислоты (ПАА, К-4, гипан) повышается при одновременном добавлении к раствору борной или виннокаменной кислот, кальцинированной соды и некоторых других реагентов, препятствующих быстрой коагуляции основного понизителя водоотдачи.

Улучшение изоляционных свойств камня. По мере затвердевания камень утрачивает пластичность и становится хрупким телом, которое плохо противостоит растягивающим напряжениям. Заметно повысить эластичность камня и одновременно еще более снизить проницаемость можно добавлением в состав тампонажного раствора полимерных материалов. Полимеры должны удовлетворять следующим условиям: хорошо растворяться в воде или образовывать устойчивые водные эмульсии; полимеризоваться в щелочной среде, содержащей большое количество ионов кальция; способствовать образованию седиментационно устойчивой суспензии тампонажного материала, улучшению деформативных свойств и непроницаемости камня без существенного снижения его прочности; не должны способствовать усадке камня при твердении.

К числу полимеров, которые могут быть использованы для улучшения деформативных свойств и непроницаемости камня, можно, видимо, отнести термореактивные фенолформальдегидные и резорциноформальдегидные смолы, эпоксидную смолу, ка-тионактивный латекс и некоторые другие. В отечественной промышленности наиболее широко применяются фенолформальдегидные ТСД-9 и TC-10 и резорциноформальдегидная ФР-12 смолы. Смолу предварительно растворяют в воде. Одновременно со смолой в воду добавляют отвердитель; в качестве последнего используют обычно формалин или параформ. После тщательного перемешивания компонентов смолы с водой на полученном водном растворе готовят тампонажную суспензию. Смолы ТСД-9 и ФР-12 являются ПАВ, ускоряющими схватывание тампонажного раствора. Эффект ускорения схватывания быстро возрастает с увеличением добавки отвердителя. В результате полимеризации смолы в среде цементного раствора образуется пространственная структура, которая обеспечивает значительное (в 1,5—2 раза) уменьшение модуля упругости камня. Поскольку поры камня в основной массе оказываются заполненными затвердевшей смолой, проницаемость камня уменьшается, а коррозионная стойкость повышается. Особенностью полимерцементных растворов является также то, что фильтрат их со временем затвердевает.

Существенный недостаток полимерцементных растворов — усадка их при твердении, особенно в пластовых водах. Величина усадки зависит от состава и количества смолы в растворе. По данным ТатНИПИ, усадка камня из полимерцементного раствора, содержащего 20% смолы (от массы портландцемента), при твердении в девонской воде Ромашкинского нефтяного месторождения составляет 0,12—0,26%, а при увеличении содержания смолы до 30% возрастает до 5% и более. Поэтому содержание смолы в растворах с портландцементом не должно превышать, по данным БашНИПИ, 20%. В табл. 10 в качестве примера показана рецептура полимерцементных растворов, разработанных в ТатНИПИнефти для месторождений Татарии и Тюменской области. Весьма желательно в состав полимерцементных растворов вводить расширяющую добавку.

Изоляционная способность камня улучшается, если при твердении раствора происходит некоторое увеличение объема. Такой эффект может быть достигнут не только с помощью расширяющихся тампонажных смесей, но также при затворении тампонажного портландцемента с содержанием не менее 12% С3А на концентрированном растворе сернокислого натрия. Процесс расширения завершается в течение 2 сут, величина расширения — около 1%. Расширение камня при твердении обусловлено образованием в результате гидратации высокоалюминатного цемента гидросульфоалюмината кальция. Использовать Na2SО4 для приготовления расширяющегося тампонажного раствора рекомендуется в интервале температур от минус 5 до плюс 50°С.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2020
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна