Базовые тампонажные материалы и тампонажные смеси

Наиболее широко в качестве тампонажных материалов применяют некоторые виды цементов, а также специальные смеси, приготовляемые на их основе в заводских условиях либо непосредственно на буровых предприятиях. Хотя цементы неполностью удовлетворяют названным выше требованиям к тампонажным материалам, пока нет других материалов, которые, удовлетворяя этим требованиям, были бы конкурентоспособны с цементами по доступности и сравнительно малой стоимости. Базовыми цементами, которые могут быть использованы как в чистом виде, так и для приготовления тампонажных смесей, являются портландские, шлаковые, белитовые, глиноземистые и некоторые другие.

Портландцементы. Это порошкообразное вяжущее вещество, получаемое путем обжига до спекания и последующего тонкого измельчения смеси карбонатных и глинистых пород, подобранных с таким расчетом, чтобы в исходном сырье содержалось CaO от 60 до 75%, Al2O3 — от 3 до 8%, SiO2 — от 15 до 25% и Fe2O3 — от 2 до 6%. В качестве базовых для разобщения пластов и других изоляционных работ в скважинах используют две разновидности тампонажных портландцементов, выпускаемых в соответствии с ГОСТ 1581—78: а) для «холодных» скважин; б) для „горячих скважин”. В цементе допускается содержание активных минеральных добавок, удовлетворяющих ОСТ 21-9—74, либо инертных добавок в виде кварцевого песка или кристаллического известняка, либо гранулированного доменного или термофосфорного шлака.

В чистом виде портландцементы можно использовать в скважинах с температурой не свыше 100°С; дальнейшее увеличение температуры весьма неблагоприятно сказывается на изоляционных свойствах камня.

Цементы на основе молотых гранулированных шлаков. Шлаками называют камневидные отходы металлургических процессов, образующиеся от сплавления разнородных окислов. В состав доменных шлаков входят окислы кальция, кремния, алюминия, железа, магния, а также марганца и других элементов. По сравнению с портландцементом, в доменных шлаках меньше окиси кальция, но больше кремнезема. Основным компонентом шлака, обладающим вяжущими свойствами при обычной температуре, является белит. При невысоких температурах тесто из шлакового цемента схватывается очень медленно. С повышением температуры активность цемента возрастает.

Вяжущие свойства шлаковых цементов существенно зависят не только от состава цемента, но также от сорта металла, при выплавке которого образуется шлак, от технологического режима металлургической печи, температуры расплавленного шлака, температуры и способа грануляции и других факторов. Так как эти факторы не сохраняются неизменными даже для одной и той же печи, то качество шлаковых цементов оказывается весьма нестабильным.

В чистом виде шлаковые цементы в качестве тампонажного материала используются сравнительно редко. Наиболее широко применяются цементы, приготовляемые путем совместного помола гранулированных доменных шлаков с кварцевым песком (шлакопесчаные цементы) либо с портландцементным клинкером (шлакопортландцементы). Так, для цементирования скважин с температурой от 160 до 220°С выпускается цемент ШПЦС-200, получаемый путем совместного помола доменного шлака и кварцевого песка, а для скважин с температурой от 80 до 160°С — цемент ШПЦС-120, который получают путем совместного помола доменного шлака, кварцевого песка и небольшого количества портландцементного клинкера. Последний играет роль активатора, способствующего ускорению схватывания цементного теста.

Перспективными для применения в скважинах с высокими температурами являются силикатно-гидрогранатные цементы, получаемые путем совместного помола гранулированного доменного шлака, пиритных огарков и негашеной извести. Камень из таких цементов имеет высокую прочность при температурах до 200°С и выше, коррозионноустойчив в агрессивных пластовых водах, в том числе содержащих сульфаты магния и натрия.

Белито-кремнеземистый цемент. Получают путем совместного помола нефелинового шлама, являющегося отходом производства глинозема, и кварцевого песка в соотношении (70—50) : (30—50) % в порошок с удельной поверхностью 200— 300 м2/кг. При помоле добавляют 1—2% бентонита для придания большей седиментационной стабильности цементному тесту. Вяжущую основу цемента составляет белит. Белито-кремнеземистый цемент можно использовать в чистом виде и в качестве базового для приготовления тампонажных смесей для скважин с температурой от 150 до 300°С.

Глиноземистые цементы. Глиноземистый цемент получают путем обжига до спекания и последующего помола смеси боксита и карбоната кальция. При совместном помоле после спекания той же смеси и двуводного гипса в соотношении примерно 3:1 получают гипсоглиноземистый цемент. Основным, минералом, обеспечивающим вяжущие свойства этих цементов, является однокальциевый алюминат CaO*Al2O3, содержание которого может достигать 50%.

Эти цементы могут быть использованы для скважин с температурой не выше 25°С. Их особенности: быстрое схватывание и твердение при низких температурах и высокая коррозионная стойкость в некоторых типах агрессивных пластовых вод.

Портландцементные смеси для высоких температур. Тампонажные портландцементы имеют два существенных недостатка: а) с повышением температуры свыше примерно 60°С максимальная прочность цементного камня во времени уменьшается, а проницаемость возрастает; б) коррозионная стойкость при контакте с агрессивными пластовыми водами невысока. Эти недостатки в значительной мере можно устранить добавлением к клинкеру при помоле или непосредственно к портландцементу 30—50% (от массы цемента) кварцевого песка или доменного шлака.

Такие модифицированные портландцементные смеси используют при температурах примерно до 160°С.

Облегченные цементные смеси. Плотность растворов, получаемых из базовых цементов, можно изменять в диапазоне от 1800 до 2000 кг/м3. Облегченные цементные смеси предназначены для приготовления тампонажных растворов с существенно меньшей плотностью. Существуют несколько способов получения облегченных цементных смесей:

а) добавление к клинкеру (шлаку) при помоле или непосредственно к базовому цементу минеральных веществ, способных связывать большое количество воды;

б) добавление к базовому цементу мелких фракций твердых веществ с малой плотностью (нефтяного кокса, гильсонита, асфальтов, битумов и т. п.);

в) добавление к базовому цементу мелких гранул с замкнутыми порами, заполненными газом (вспученного перлита, пламилона, кварцевых микробаллонов и т. п.);

г) синтез специальных вяжущих.

Наиболее широко сейчас используют первый способ. В качестве минеральных добавок к клинкеру (шлаку) или базовому цементу употребляют глины (бентонит, палыгорскит, гидрослюды и др.), кремнеземистые материалы (диатомит, трепел, опоки, силикагель), материалы вулканического происхождения (пемза, вулканические пеплы, туфы), карбонатные материалы (известняк, мел). Эти материалы имеют небольшую прочность и легко размалываются в порошок с высокой удельной поверхностью (до 1000 м2/кг и более). Наибольшую удельную поверхность и наибольшую способность связывать воду имеют глинистые, затем кремнеземистые добавки.

Смеси портландцемента с глинистыми материалами, часто именуемые гельцементами, используют в основном в скважинах с температурой до 80°С; смеси же из шлакового цемента с палыгорскитовой глиной можно применять при температурах примерно от 60 до 250°С.

Смеси портландцемента с кремнеземистыми добавками рекомендуется использовать в температурном диапазоне от 50 до 160°С, а белито-кремнеземистого цемента — от 100 до 300°С. В указанных температурных диапазонах конечная прочность камня из смесей с кремнеземистыми добавками выше, нежели из смесей с глинистыми добавками при прочих равных условиях.

Общим недостатком облегченных смесей является то, что с уменьшением плотности тампонажного раствора снижается также прочность образующегося из него камня и возрастает проницаемость.

Гранулы с замкнутыми порами, заполненными газом, могут частично разрушаться под влиянием высокого давления среды, при этом эффект снижения плотности тампонажного раствора в значительной степени утрачивается. Например, плотность цементного раствора с добавкой 15% вспученного перлита возрастает с 1250 кг/м3 при атмосферном давлении до максимального значения 1450 кг/м3 при давлении 7 МПа; плотность раствора, содержащего 8% пламилона от массы цемента, увеличивается с 1200 кг/м3 при атмосферном давлении до 1450 кг/м3 и более при давлении 60 МПа.

Утяжеленные цементные смеси. Утяжеленные смеси готовят путем совместного помола портландцементного клинкера или гранулированного доменного шлака с минеральными добавками высокой плотности (4000 кг/м3 и более). В качестве таких добавок используют в основном барит, железные и иногда свинцовые руды.

Волокнистые цементы. Эти смеси получают путем добавления к базовому цементу асбестовых отходов, имеющих волокна длиной 2—4 мм. Такие смеси применяют при цементировании скважин в трещиноватых породах.

Коррозионностойкие цементы. Камень из портландцемента при контакте с пластовыми водами может разрушаться в результате выщелачивания наиболее растворимых компонентов его, например, гидроокиси кальция (коррозия выщелачивания), вследствие химического преобразования состава под действием ионов магния (магнезиальная коррозия), сульфат-ионов (сульфатная коррозия) и сульфидов (сульфидная коррозия), в результате катионного обмена. Коррозионностойкими называют те цементы или смеси, камень из которых отличается высокой устойчивостью против всех или хотя бы некоторых видов коррозии. Так, весьма коррозионностойкими являются глиноземистые цементы. Высокой устойчивостью против коррозии выщелачивания обладают те цементы и смеси, в камне из которых практически не содержится гидроокись кальция. Коррозионностойкими при контакте с пластовыми водами, насыщенными хлоридами магния, кальция и натрия, и с горными породами, содержащими эти компоненты, являются шлаковые и шлакопесчаные цементы. К стойким против сульфатной коррозии относятся пуццолановые портландцементы с содержанием С3А в клинкере не более 8% и отношением Al2O3:Fe2O3<0,7, в частности, смеси портландцемента с кремнеземистыми добавками типа опоки, трепела, а также шлакопортландцементы. В условиях сульфатно-сульфидной агрессии наиболее стойкими оказываются шлакопесчаные цементы, глиноземистые цементы и их смеси с портландскими цементами.

Расширяющиеся смеси. Такие смеси используют для приготовления тампонажных растворов, объем которых при твердении увеличивается. Условно расширяющиеся смеси можно разделить на две группы. Первую составляют цементы и смеси, при использовании которых процесс расширения происходит в основном после того как цементный камень сформировался, приобрел достаточно большую прочность и в значительной мере утратил пластичность. К таким материалам относятся гипсоглиноземистый цемент и смеси тампонажного портландцемента с 10—20% гипсоглиноземистого либо 5—10% магнезита или доломита, обожженных при температуре 700—900°С. Величина расширения тампонажного камня в твердом состоянии не должна превышать, по-видимому, 1—1,5%; при большем расширении возможно растрескивание и разрушение камня.

Вторую группу составляют смеси, расширение раствора из которых заканчивается к концу схватывания его, т. е. происходит в период, когда кристаллизационная структура формирующегося цементного камня не приобрела еще значительной прочности и обладает большой пластичностью. Здесь допустима гораздо большая величина расширения. В качестве расширяющих добавок могут быть использованы окиси кальция и магния, полученные обжигом сырья при определенном температурном режиме. Так, в качестве добавки к тампонажным портландцемен-там, используемым при температуре до 100°С, успешно применена негашеная известь CaO, полученная обжигом карбоната кальция при температуре 1200°С; при температуре в скважине до 180°С добавкой к базовым цементам и цементно-песчаным смесям может служить окись магния, полученная обжигом хроматного шлама при температуре 1200—1300°С, а при более высоких температурах в скважинах — окись магния, полученная обжигом при температуре 1600°С.

Низкогигроскопичные цементы. Цементы имеют большую удельную поверхность и весьма гигроскопичны. Поглощая из атмосферы влагу и углекислоту, они сравнительно быстро теряют активность и слеживаются, комкуются; свойства растворов и камня при этом существенно ухудшаются. Одним из способов сохранения длительной активности и предотвращения слеживаемости цементов является введение при помоле клинкера (шлака) специальных добавок, которые придают поверхности порошка гидрофобность либо уменьшают ее гигроскопичность. Гидрофобизированные цементы нежелательны для целей бурения, так как они плохо смачиваются водой, а приготовленные из них растворы вспениваются и недостаточно седиментационно устойчивы. Для цементирования скважин используют низкогигроскопичные цементы, обработанные триэтаноламином. Такие цементы меньше слеживаются и сохраняют активность в течение более продолжительного времени.