Цемент тампонажный облегченный это

Расширяющийся облегченный тампонажный цемент тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.11, кандидат технических наук Самсоненко, Наталья Владимировна

Оглавление диссертации кандидат технических наук Самсоненко, Наталья Владимировна

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР.

1.1 .Требования, предъявляемые к тампонажным цементам

1.2. Классификация тампонажных цементов

1.3. Расширяющиеся тампонажные цементы

1.4. Облегченные тампонажные цементы и способы их получения.

1.5. Выводы и цель работы.

Ф 2.ХАРАКТЕРИСТИКА ИСХОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ

И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Характеристика исходных материалов

2.2. Методы исследований.

4 3. РАЗРАБОТКА СОСТАВА И ПАРАМЕТРОВ ПОЛУЧЕНИЯ

3.1. Кинетика расширения цементного камня на основе различных расширяющихся компонентов

3.2. Состав и физико-химические свойства сульфоалюминатно-известкового компонента.

• 3.3. Гидратация и твердение тампонажного цемента, содержащего сульфоалюминатно- известковый компонент.

3.4. Свойства расширяющегося цемента на основе клинкера различного минералогического состава.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗЛИЧНЫХ КОМПОНЕНТОВ

В КАЧЕСТВЕ ДОБАВКИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ^ ОБЛЕГЧЕННОГО

• ТАМПОНАЖНОГО ЦЕМЕНТА. ф 4.1. Влияние различных материалов в качестве облегчающей добавки к тампонажному цементу

4.2. Влияние воздухововлекающих добавок на свойства тампонажных цементов

4.3. Исследование процесов гидратации и твердения расширяющегося облегченного цемента

5. ВЫПУСК ОПЫТНОЙ ПАРТИИ ЦЕМЕНТА И ЕЕ ИСПЫТАНИЕ.

5.¡.Разработкатехнологического регламента получения и технических условий на облегченный расширяющийся цемент.

5.2.Тампонажные свойства опытной партии цемента.

5.3. Испытание опытно-промышленной партии облегченного расширяющегося тампонажного цемента

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Технология силикатных и тугоплавких неметаллических материалов», 05.17.11 шифр ВАК

Утяжеленный безусадочный тампонажный цемент 2012 год, кандидат технических наук Бурыгин, Иван Владимирович

Разработка состава и исследование свойств тампонажного цемента низкотемпературного твердения 2004 год, кандидат технических наук Спицын, Валерий Владимирович

Разработка тампонажных растворов на основе расширяющегося алинитового (хлорсиликатного) клинкера 1984 год, кандидат технических наук Хыдыров, Махтумкули Бяшимович

Разработка состава и исследование свойств тампонажного цемента специального назначения 1984 год, кандидат технических наук Киколашвили, Ираклий Валерьянович

Научное обоснование, разработка и внедрение современных технологий разобщения пластов сложнопостроенных газовых месторождений 2001 год, доктор технических наук Фролов, Андрей Андреевич

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Расширяющийся облегченный тампонажный цемент»

Актуальность темы. Цементирование является завершающей и наиболее ответственной операцией при строительстве нефтяных и газовых скважин. Для успешного его проведения необходимы тампонажные материалы с легко регулируемыми технологическими свойствами. Фундаментальными исследованиями Агзамова Ф.А., Ангелопулло O.K., Каримова Н.Х., Клюсова A.A., Кривобородова Ю.Р., Крылова В.И., Кузнецова Ю.С., Кузнецовой Т.В., Овчинникова В.П., Рахимбаева Ш.М., Рябоконя A.A., Фролова A.A., Бенстеда И. и др. разработано много разновидностей тампонажного цемента. Однако большое разнообразие горно-геологических условий залегания нефти и газа предопределяет дальнейшее совершенствование свойств тампонажного цемента, особенно это касается облегченных цементов, применяемых при цементировании скважин для предотвращения гидроразрыва высокопроницаемых пластов и пластов с низкими градиентами давлений.

Выпускаемые облегченные цементы по ряду причин не всегда обеспечивают качественное разобщение вскрываемых пластов. Применяемые облегчающие добавки увеличивают водосодержание цементных растворов, снижают прочность цементного камня, к тому же являются седиментационно не устойчивыми, характеризуются усадкой и повышенной проницаемостью цементного камня. В связи с этим проблема разработки и внедрения в практику расширяющегося облегченного тампонажного цемента является актуальной.

Работа проводилась в соответствии с программами НИОКР ОАО «Газпром» и РХТУ им. Д.И.Менделеева.

Цель работы. Разработка расширяющегося облегченного тампонажного цемента.

Для достижения поставленной цели предусматривалось: — Разработка состава и параметров получения расширяющегося компонента, определение кинетики и последовательности минералообразования при обжиге сульфоалюминатно-известкового компонента, изучение его физикохимических свойств, исследование влияния сульфоалюминатно-известкового компонента на процесс гидратации тампонажного цемента, определение свойств расширяющегося цемента на основе клинкеров различного минералогического состава с добавкой сульфоалюминатно-известкового компонента;

— Исследование различных материалов в качестве добавки для получения облегченного цемента: микрокремнезема, микросфер, термообработанной глины и др., их влияния на гидратацию тампонажного цемента, изучение влияния воздухововлекающей добавки на свойства облегченного цемента, разработка состава расширяющегося облегченного тампонажного цемента на основе сульфоалюминатно-известкого компонента и термообработанной глины;

— Разработка нормативно-технической документации (технологического регламента, технических условий), выпуск и испытание опытных партий цемента.

Научная новизна. Разработаны научно-технические основы создания расширяющегося облегченного тампонажного цемента, заключающиеся в направленном модифицировании цементного камня путем введения в состав цемента сульфоалюминтно-известкового расширяющегося компонента в сочетании с активной минеральной и воздухововлекающей добавками.

Сульфоалюминатно-известковый компонент обеспечивает появление расширения твердеющей системы в начальный период (4-6 час) структурообразования камня за счет гидратации оксида кальция, а в последующие сроки твердения (1-7 сут) — в результате формирования кристаллов эттрингита. Установлены физико-химические свойства сульфоалюминатно-известкового компонента, определено влияние его состава на процессы гидратации тампонажного цемента, скорость и величину расширения камня.

Установлено, что при гидратации расширяющегося тампонажного цемента формирование структуры твердения обусловлено процессами синтеза гидроалюминатов и гидросиликатов кальция, обеспечивающих рост прочности камня, гидроксида кальция и эттрингита, вызывающих появление внутренних напряжений. Скорости формирования указанных гидратных фаз должны быть взаимосогласованными, что обеспечивается заданным составом портландцементной составляющей и сульфоалюминатно-известковым компонентом цемента.

Установлена полифункциональность термообработанной глины в составе тампонажного цемента, обеспечивающая за счет формирования коагуляционной структуры цементного раствора его седиментационную устойчивость и снижение плотности, а за счет реакции взаимодействия с гидроксидом кальция образуются низкоосновные гидросиликаты кальция, упрочняющие цементный камень.

Установлено, что воздухововлекающая добавка в составе цемента обеспечивает формирование мелкопористой, малопроницаемой и однородной структуры камня. Выявлена прямая зависимость плотности тампонажного раствора и прочности камня от интенсивности воздухововлечения. Скоростная обработка материала в роторно-пульсационных аппаратах обеспечивает максимальное снижение плотности раствора и повышение прочности цементного камня.

Практическая значимость работы заключается в разработке технологии облегченного расширяющегося тампонажного цемента. Разработан технологический регламент получения сульфоалюминатно-известкового компонента, обеспечивающего расширение цементного раствора в начальный период структурообразования и при последующем твердении цементного камня. Определены технологические параметры получения активной минеральной добавки, введение которой в состав цемента совместно с воздухововлекающей добавкой позволяет регулировать плотность тампонажного раствора. Разработаны технические условия и выпущены опытно-промышленные партии расширяющегося облегченного тампонажного цемента, применение которого позволяет повысить качество разобщения пластов и долговечность цементного камня. Новизна технических решений подтверждается патентами РФ №№ 2192539, 2204694.

На защиту выносятся состав и свойства сульфоалюминатно-известкового компонента, параметры получения термообработанной глины, технология и свойства облегченного расширяющегося тампонажного цемента, результаты исследований гидратации и твердения разработанного цемента.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на Международной конференции по химии и технологии цемента (Москва, 2000 г.), на конференции «Освоение шельфа арктических морей России» (Санкт-Петербург, 2001 г.), на конференциях молодых ученых (РХТУ, 2000, 2001гг; МГСУ, 2001, 2002, 2003 гг.), на научно-технических совещаниях ОАО «Газпром», Международной научно-практической конференции «Нефть и газ Украины» (Ивано-Франковск, 2000 г.).

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 7 статьях, в том числе два патента РФ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературных источников, экспериментальной части, включающей три раздела, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 156 стр , включая 40 рис, 32 табл. и 16 стр. приложений.

Источник

Облегченный тампонажный состав для низких и умеренных температур

Предложен состав облегченного тампонажного материала, разработанный в лаборатории ООО «Химпром». Материал предназначен для крепления скважин с низкой и нормальной температурой, осложненных наличием в разрезе поглощающих пластов и пластов с низким давлением гидроразрыва. Представлены основные параметры тампонажного материала и описан компонентный состав. Значения основаны на лабораторных исследованиях и могут быть изменены под требования заказчика.

Облегченный тампонажный материал содержит цемент ПЦТ-I-50, основную облегчающую добавку АСПМ, специальный наполнитель WellFix Base 1 (мод), регулятор сроков схватывания WellFix FP, пластификатор WellFix P-130, пеногаситель ПТЖ-20. Преимуществами данного состава являются низкая плотность цементного теста, высокая седиментационная устойчивость, небольшое время переходного периода, высокая прочность цементного камня, хорошие технико-экономические характеристики. Цементное тесто имеет нулевое водоотделение. Прочность на сжатие цементного камня через 12 часов твердения – 3,6 МПа.

Технический результат – предотвращение поглощения тампонажного раствора за счет снижения его плотности при сохранении нулевого водоотделения и высокой прочности цементного камня.

This paper proposes lightweight cement material developed by the laboratory of Himprom LLC. The material is designed for cementing of low and normal temperature wells drilled in sections with thief zones and low fracture pressure formations. The paper provides the basic parameters of the cement material and its compositional analysis. Values are based on laboratory tests and can be customized.
The lightweight cement contains PTC-I-50 (ПЦТ-I-50) Cement, Main Lightweight Aluminosilicate Microsphere Additive, WellFix Base 1 (mod) Special Filler, WellFix FP Setting Time Regulator, WellFix P-130 Plasticizer, PTG-20 (ПТЖ-20) Antifoamer. The advantages of this material include low-density of cement paste, high sedimentation stability, short transitional period, high-strength cement stone, and high performance. The cement paste features zero water loss. The cement stone compressive strength after 12-hour hardening is 3.6 MPa.
The technical result is prevention of cement slurry losses by reducing its density, while maintaining zero water loss and high strength of the cement stone.

Как известно, главными критериями мэффективности цементирования скважины являются надежное разобщение пластов и обеспечение герметичности ее крепи в течение длительного срока эксплуатации. Однако применение существующих технологий и тампонажных материалов в сложных горно-геологических условиях не всегда могут обеспечить требуемое качество крепления. Значительную часть осложнений при цементировании скважин составляют поглощения тампонажного раствора, недоподъем цементного раствора до проектной высоты, недостаточное разобщение пластов и возникновение вследствие этого межпластовых перетоков [1].
Сложные условия проводки скважины, такие как чередование интервалов с различными пластовыми давлениями, близкое расположение друг от друга водоносных и нефтеносных горизонтов, низкие градиенты давлений гидроразрыва пластов, бурение скважин с большими отходами от вертикали требуют новых подходов при разработке технологий и материалов для цементирования скважин.

Наиболее эффективным способом предупреждения поглощения тампонажного раствора является снижение давления на пласт за счет уменьшения плотности цементного теста.

Гельцементные облегченные тампонажные составы, содержащие бентонитовые глины, имеют сравнительно низкую прочность, растянутые сроки схватывания при низких и умеренных температурах. Облегченные составы, включающие в себя материалы вулканического происхождения, диатомит, трепел, опоку, также характеризуются низкой прочностью, высокой проницаемостью, что обусловлено большим водосодержанием.

Независимо от того, какой способ облегчения цементного раствора будет реализован (изменение водоцементного отношения, использование облегчающих добавок, снижение плотности самого вяжущего вещества), как правило, это сопряжено с удорожанием стоимости цементного раствора или ухудшения его характеристик (увеличение водоотделения, ухудшение прочности цементного камня, усадка). Облегченные цементы заводского производства, обладая достаточно высокими значениями седиментационной устойчивости и приемлемыми прочностными характеристиками, не всегда позволяют получать тампонажные составы плотностью ниже 1,45 г/см 3 [2]. Гельцементные облегченные тампонажные составы, содержащие бентонитовые глины, имеют сравнительно низкую прочность, растянутые сроки схватывания при низких и умеренных температурах. Облегченные составы, включающие в себя материалы вулканического происхождения, диатомит, трепел, опоку, также характеризуются низкой прочностью, высокой проницаемостью, что обусловлено большим водосодержанием.
Для решения задач крепления нефтяных и газовых скважин в условиях аномально низких пластовых давлений и при наличии в разрезе пластов с низким градиентом давления гидроразрыва в лаборатории ООО «Химпром» разработан облегченный тампонажный состав, обеспечивающий высокое качество цементной крепи при низких и нормальных температурах. Состав включает в себя вяжущее вещество и специальные облегчающие добавки (табл. 1).
Преимуществами данного материала являются низкая плотность цементного теста при сравнительно низком водосодержании, хорошая прокачиваемость цементной смеси, небольшое время переходного периода, высокая седиментационная устойчивость и прочность цементного камня. Данный тампонажный состав может применяться совместно с реагентами — понизителями фильтрации и газоблокаторами из линейки WellFix. В этом случае возможно получение низкой и сверхнизкой фильтрации цементного раствора.
Для получения требуемых характеристик была использована в составе цементной смеси специальная комбинация вяжущих компонентов и пуццолановые наполнители. В качестве основной облегчающей добавки были использованы полые стеклянные микросферы (табл. 2).
Хорошая подвижность цементного теста определяет возможность использования данного состава для глубоких скважин с малыми зазорами.

ООО «Химпром» – современное наукоемкое предприятие, специализирующееся на разработке химических реагентов и технологий для повышения эффективности добычи нефти и газа.
Квалифицированный персонал, аккредитованные лаборатории, собственные производственные мощности, складские помещения и развитая логистика составляют основу динамичного развития компании. Научно-исследовательский центр компании «Химпром» оснащен современным оборудованием, укомплектован высококвалифицированными специалистами, позволяющими проводить исследования, соответствующие российским и зарубежным стандартам. Аккредитованные Центры исследований буровых и тампонажных растворов в Ижевске, Нефтеюганске и Нижневартовске осуществляют проверку физико-химических параметров растворов в стационарных и передвижных лабораториях, проводят комплексные аудиты буровых

и тампонажных растворов.

Высокая седиментационная устойчивость — один из эффективных путей повышения качества разобщения пластов. Недостаточная седиментационная устойчивость тампонажных растворов приводит к увеличению проницаемости цементного камня, нарушению сплошности тампонажного камня в затрубном пространстве в поперечном направлении в результате образования водяных «поясов» [1].

Облегченный тампонажный материал имеет хорошие технико-экономические характеристики, поскольку обладает свойствами, не уступающими параметрам составов нормальной плотности, и при этом в его составе используются недефицитные компоненты, хорошо смешиваемые с жидкостью затворения.

Высокая прочность цементного камня в начальный период позволяет сократить время ОЗЦ до 12 часов, тем самым увеличить скорость строительства скважин.
Рекомендуемая область применения данного тампонажного состава – скважины с низкой и нормальной температурой в интервале цементирования обсадной колонны, а также скважины, где предъявляются повышенные требования к качеству цементной крепи, прочности цементного камня.
Облегченный тампонажный материал имеет хорошие технико-экономические характеристики, поскольку обладает свойствами, не уступающими параметрам составов нормальной плотности, и при этом в его составе используются недефицитные компоненты, хорошо смешиваемые с жидкостью затворения.
В настоящее время планируется проведение опытно- промышленных испытаний данного состава на месторождениях Тюменской области.

1. Зварыгин В.И. Тампонажные смеси: учебное пособие. Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2014. 216 с.
2. Бурдыга В.А. Разработка и исследование «легких» тампонажных растворов для разобщения пластов с аномально низкими пластовыми давлениями: дис. . канд. техн. наук. Тюмень, 2006. 119 с.

1. Zvarygin V.I. Tamponazhnyye smesi [Cement Slurry Mixtures]. Krasnoyarsk, Sibirskiy federal’nyy universitet [Siberian Federal University], 2014. 216 p. (In Russian).
2. Burdyga V.A. Razrabotka i issledovaniye «legkikh» tamponazhnykh rastvorov dlya razobshcheniya plastov s anomal’no nizkimi plastovymi davleniyami. Diss. kand. tekhn. nauk [Research and development of «lightweight» cement slurries for isolation of abnormally low pressure reservoirs. Cand. techn. sci. diss.]. Tyumen, 2006. 119 p. (In Russian).

Источник

Тампонажный цемент: марки, состав и области 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.

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.

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 %.

Характеристики

Главными особенностями материала являются следующие показатели:

1. Высокая скорость твердения. Но при этом подвижность смешанной с водой смеси сохраняется достаточно долго.
2. Водостойкость. Раствор может твердеть даже под водой.
3. Сочетание с разными наполнителями. Причем это могут быть и поверхности, имеющие физико-химическую природу, включая и сталь.
4. Независимо от условий окружающей среды, затвердевшая смесь сохраняет прочность и целостность достаточно долго.

Классификационные особенности

Тампонажный цемент бывает нескольких видов. Все они отличаются по разным параметрам. Так, по составу веществ материал бывает таких типов:

• I – без добавок;
• II – с миндобавками;
• III – со спецдобавками. Они используются, чтобы регулировать плотность раствора.

Материал III типа бывает утяжелённым (Ут) и облегченным (Об). Кроме того, каждый тип материала подразделяется на виды, предназначенные для использования при нормальных (25-50), низких (15-24), умеренных (51-100) или повышенных (101-150) температурах.

Условные обозначения

Для определения марки материала применяется специальная маркировка:

1. Цемент тампонажный – ПЦТ.
2. Сульфатостойкость — СС.
3. Средняя плотность.
4. Максимально допустимая температура при выполнении работ.
5. Пластификация или гидрофобизация. Обозначаются как Пл, Гф.
6. Стандартный показатель.

Пример: ПЦТ-I-СС-100. Обозначение несет такую информацию: материал является тампонажным портландцементом, не содержащим добавок, является сульфатостойким. Предназначен для использования при температуре от 51 до 100 градусов.

ПЦТ-III-УТ1-100. Это тампонажный вид портландцемента, облегченный тип с плотностными показателями 2,1 г/см 3 . Можно работать с материалом при умеренной температуре.

ПЦТ-III-Об5-50 — цемент тампонажный. Является облегченным типом. Обладает плотностными показателями 1,5 г/см 3. Допускается к работе при нормальных температурах.

Проверка качества

Этот материал предназначен для создания гидроизоляции скважин, но нередко используется тампонажный цемент в строительстве при возведении некоторых жилых или промышленных объектов. Но чтобы материал смог выполнить предназначенную задачу, обеспечить герметичность и надежность созданного сооружения и при этом был экологически безопасным, он должен быть качественным, а состав – соответствующим сложности и особенностям поставленных задач. Для этого созданные смеси проходят проверку.

Есть разные методы испытания тампонажного цемента, чем и занимаются специализированные лаборатории. Они определяют следующие показатели:

1. Плотность (удельный вес).
2. Реологические свойства.
3. Время загустевания.
4. Водоотделение.
5. Фильтрационные потери.
6. Предел прочности.
7. Устойчивость перед ультразвуком.
8. Проницаемость застывшего материала жидкостями, газом, воздухом.

Источник