Тампонажные материалы для цементирования обсадных колонн в интервалах залегания ММП

Особенности тампонажного цемента

Раствор для тампонажных работ приготавливают из цемента со специфическими свойствами. Материал:

• имеет тонкий помол;
• затвердевает в короткие сроки, при этом смесь цемента с водой долго сохраняет текучесть, что позволяет ее свободно закачивать;
• схватывается и затвердевает, несмотря на контакт с водой;
• совместим с разнообразными добавками.

Монолитная конструкция, выполненная из тампонажного раствора, на протяжении многих лет сохраняет целостность и не теряет прочности благодаря устойчивости к влиянию окружающих сред, в том числе агрессивных.

Комбинированные полимерно-цементные растворы

Комбинированные растворы получаются путем сочетания в тампонажном растворе цементной суспензии и раствора полиакриламида или гипана. Для приготовления комбинированной смеси используются следующая пропорция компонентов:

• ¾ тампонажный цемент;
• ¾ вода в соотношении 60% от массы сухого цемента;
• ¾ хлористый кальций (2,5-5%);
• ¾ полиакриламид (0,15-0,20%).

Из-за высокой вязкости полиакриламид предварительно разводят до концентрации трехпроцентного раствора и вводят в цементную массу непосредственно в буровых трубах, чтобы избежать преждевременного схватывания.

Cостав

Основой для производства тампонажного цемента служит измельченный клинкер (от 80%) и гипс (2-3,5%). К ним добавляются различные минеральные вещества для приготовления рабочих смесей с заданными свойствами. Применяется несколько видов тампонажных растворов:

• Гигроскопический. Добавкой служит триэтаноломин.
• Песчанистый. К основному составу добавляют гипс, кварцевый песок.
• Утяжеленный. В число утяжеляющих добавок входят железнорудные минералы (магнетит, гематит, шпальт).
• Солестойкий. Тонкоизмельченный кварцевый песок, добавленный в раствор, позволяет создать материал, защищающий трубы от коррозии под воздействием грунтовых вод с высоким содержанием соли.

К специальным тампонажным портландцементам относят сульфатостойкую смесь, устойчивую к агрессивным средам.

В сложных геологических условиях, в том числе если в разрезе имеются пласты поглощающие или склонные к гидроразрыву, цементирование глубоких скважин осуществляется с использованием облегченных растворов. Облегченный тампонажный цемент изготавливается путем введения добавок, снижающих плотность состава – золы, трепела, диатомита, алюмосиликатных микросфер и т.д.

Еще ниже плотность легких тампонажных цементов, предназначенных для работ на большой глубине и для ремонта разрушенных участков оболочки. Такие материалы проще закачивать, они обладают высокой адгезией и хорошо сцепляются со старой цементной оболочкой трубы, способны заполнять пустоты и трещины. Добавками служит каолин, полые алюмосиликатные микросферы и т.д.

Отличие тампонажного и расширяющегося цемента. При цементировании скважин в пористых и рыхлых горных породах требуется создать оболочку из цементного камня, не склонного к усадке.

Расширяющийся цемент содержит добавки, благодаря которым в цементном растворе происходят химические реакции с образованием кристаллических продуктов. Таким образом, раствор в процессе застывания увеличивается в объеме, при этом получившийся камень имеет плотную структуру. Обычные тампонажные цементы не расширяются при твердении.

Портландцемент — основа тампонажного промывочного раствора

В качестве цементирующей составляющей промывочных тампонажных растворов используются портландцементы и доменные шлаки.

Портландцемент — это сыпучий материал с вяжущими свойствами, получаемый в результате одновременного размола гипса, клинкера и (или) гранулированных доменных шлаков. При этом количество гипса в полученной смеси регламентируется в пределах 1,5-3,5%. Портландцементные тампонажные смеси обладают способностью затвердевания и превращения в минеральное соединение, характеризующееся повышенной механической прочностью, через некоторое время после разведения компонентов в воде. Цементный камень образуется в результате реакций гидратации и гидролитической диссоциации клинкерных элементов (кальциевых алюминатов, алюмоферритов, силикатов). Таким образом именно минеральный состав клинкера играет главную роль при протекании химических реакций, определяющих скорость затвердевания промывочного тампонажного раствора и финишных функциональных свойствах полученного бетона.

На месторождениях с АВПД (аномально высоким давлением) работы по цементажу скважин производятся многоступенчатым методом, при этом плотность бурового тампонажного раствора увеличивают до максимально возможной величины. Помимо этих технологических приемов, во избежание заколонных нефтегазоводопроявлений, используют седиментационноустойчивые тампонажные компоненты, обеспечивающие ускоренное «схватывание» цементной смеси. В результате обработки стенки скважины успешно противостоят проницаемости пластов.

Маркировка тампонажного цемента

Тампонажный цемент производится в соответствии с ГОСТ 1581-96. Материал имеет маркировку ПТЦ (портландцемент). В зависимости от характеристик и свойств, тампонажный цемент бывает:

• Бездобавочным (I, I-G, I-H), с добавлением минеральных веществ (II), с примесями, регулирующими плотность состава (III).
• Утяжеленным (Ут), облегченным (Об);
• Для применения при низких и нормальных (15-50°С), умеренных (51-100°С) и повышенных (101-150°С) температурах;
• Обычным и сульфатостойким (СС).

В стандартной маркировке указывается тип цемента, его сульфатостойкость, средняя плотность, максимально допустимая температура применения, степень пластификации (ПЛ) или гидрофикации (ГФ), номер ГОСТа.

Рабочие характеристики зависят от марки тампонажного цемента и особенностей его изготовления. В таблице ниже приведены пределы, в которых могут варьироваться показатели материала.

Данные характеристики тампонажного цемента приводятся в сертификате на продукцию вместе с информацией о дате изготовления и объеме партии материала.

Основные технические характеристики

Свойства тампонажного портландцемента строго регламентированы государственным стандартом, которым должны руководствоваться производители вяжущей смеси.

Основными техническими показателям ТП по ГОСТу 26798.1-96 являются:

• Удельная насыпная плотность — 800 -1200 кг/м.
• Насыпная поверхность — 250-1500 м2/кг (зависит от тонкости помола, минералогического состава раствора и добавок, включенных в раствор).
• Подвижность около 18-25 см при в/ц=0,5. Нижний уровень — 16 см, когда смесь сохраняет пластичность.
• Водосодержание — 0,35 -0,4 (практически). Теоретически — 0,2 — 0,25. Чтобы получить пластичный раствор, нужно добиться 18 см расплыва материала по АзНИИ-конусу. Это означает, что для каждой партии цемента и раствора количество жидкости больше нормы.
• Сроки схватывания на начальной стадии — не раньше 1 часа 45 минут. Окончание затвердевания — не позднее 10 часов.
• Прочность — 27-62 кг/см2.
• Усадка — не допускается.
• Водоотделение — не больше 7,5-10 мл.

Указанные технические характеристики должны содержаться в сертификате наряду со сведениями о партии и дате изготовления.

Как и у обыкновенного, у тампонажного сохраняются все свойства в течение 6 месяцев. Активность раствора теряется при взаимодействии с влагой и контакте с открытым воздухом. Сроки затвердевания после затворения жидкостью зависят от температурного режима в скважине, количества натрия хлора, хлористого калия в составе смеси. Если температура выше 60 °С, диапазон колеблется от 10 минут до 10 часов. Если ниже — от 2 до 12 часов.

Сферы применения

Применение тампонажного цемента обусловлено его главным качеством: материал имеет высокие показатели прочности с самого начала затвердевания. Данный вид цемента в первую очередь предназначен для тампонирования нефтегазовых скважин. В процессе цементирования одновременно вытесняется буровая смесь.

Тампонажный цемент для скважин закачивается с помощью насосного оборудования – чтобы обеспечить текучесть раствора объем воды должен превышать объем сухих компонентов в два раза. Получившаяся масса (пульпа) характеризуется высокой подвижностью, после затвердевания она образует плотный монолит, не склонный к усадке, между обсадной трубой и стенками скважины. При этом материал плотно сцеплен как с трубой, так и со стенками пробуренного в горных породах ствола.

Цементная оболочка служит защитой обсадной трубы от сдвижек пластов, от контакта с грунтовыми водами, агрессивными газообразными средами. Тампонажный цемент применяется для укрепления дна скважины и сокращения ее глубины, для устранения повреждений самой обсадной колонны.

В строительстве данный вид цемента практически не используется. Исключением служит применение тампонажного цемента для фундамента из буровых свай, которые устанавливаются на сложных грунтах.

Добавки, улучшающие свойства тампонажных растворов

Для улучшения рабочих характеристик промывочного тампонажного раствора в качестве дополнительно используемых добавок используются:

• хлористый кальций и карбонат натрия. Применяются для сокращения сроков схватывания бетона. Добавление ускорителей в воду или в сухие компоненты позволяет получить БСС (быстросхватывающиеся смеси), которые используются при температуре скважины в пределах до 50-65°С. БСС с расширительными свойствами получают, добавляя к исходному сырью до 10-30% гипсоглиноземистого цемента. БСС на основе пуццолановых цементов отличаются низкой плотностью и высоким порогом интенсивности загустевания;
• гипс. Добавление гипса позволяет сократить срок твердения, в результате чего высокопрочный камень получается уже через 3-4 часа после закачки промывочного тампонажного раствора. Чтобы процесс схватывания не начался уже в бурильных трубах, в них специально добавляются замедлители процесса. Гипсо-цементные тампонажные суспезии гораздо более стойки к разбавлению водой, чем обычные цементные и применяются при наличии водяных пропластков;
• бентонит, применение которого увеличивает стартовую подвижность промывочного тампонажного раствора, что оптимизирует работу по закачке, особенно при необходимости применения высокой плотности цементирующего материала. Глиноцементные смеси обеспечивают стабильную вязкость рабочего материала во время продавливания его в зону поглощения, после чего происходит резкое увеличение параметра и наступление периода пластической прочности. Для улучшения характеристик бентонитовых смесей и нивелирования воздействия пластовых вод до начала твердения возможно добавление в раствор натриевого или калиевого силиката, в количестве 3-10% от массы цемента ;
• цементно-смолистая композиция (ЦСК) с использованием пластификатора ТЭГ-1 (эпоксидной алифатической смолы). Смола представляет собой вязкую жидкость желтого цвета, способную растворяться в воде. Используется при наличии осложнения скважины в виде близкорасположенных водоносных пластов;
• углеводородные добавки (дизельное топливо, добавляемое в количестве 30%). Соляро-цементные смеси используют при необходимости закачки раствора на большую глубину. Цементная составляющая инертна к углеводородам и раствор приобретает вязкость и пластическую прочность только после замещения дизтоплива водой. Для усиления прочности бетона и снижения материальных затрат допускается введение в массу до 50% кварцевого песка.

Общим недостатком практически всех цементных смесей является низкая коррозионная стойкость полученного цементного камня, усадка его во время дальнейшей эксплуатации и возможность проникновения вод через поры.

Устройство тампонажного слоя

При сооружении фундамента мелкого заложения в случае большого притока грунтовых вод в котловане приходится укладывать тампонажный слой бетона под фундаментом (рис. 2.8).

Технология укладки тампонажного бетонного слоя методом вертикально перемещаемой трубы (ВПТ) состоит в следующем:

• на подмостях (размещенных, например, на ограждении), устанавливают бетонолитные трубы, состоящие из звеньев длиной 3–4 м, которые соединяют фланцевыми стыками; в верхней части трубы снабжены воронками, каждая емкостью по 1,2–1,5 м;
• в горловине воронки устраивают пробку (например, из мешковины, заполненной паклей), прикрепленную проволокой к верху воронки;
• бетонолитную трубу опускают нижним концом в воду на дно котлована;
• в приемный бункер подается порция литой бетонной смеси с осадкой конуса 16–18 см, полностью заполняющая бункер;
• проволоку, соединяющую пробку с верхом воронки, обрубают. Масса бетонной смеси, вытесняя воду, устремляется по трубе вниз. При большой длине бетонолитной трубы одновременно с открытием заслонки в горловине бункера над воронкой открывают бадью с бетонной смесью. В противном случае отжатия воды из трубы может не произойти;
• если бетонная смесь не доходит до нужного уровня, трубу немного приподнимают краном и сразу же осаживают на дно котлована;
• в приемный бункер подается новая порция бетонной смеси.

По мере бетонирования литая бетонная смесь постепенно растекается по котловану. С водой соприкасается только верхний слой бетона, т.к. бетонная смесь подается внутрь ранее уложенного объема. После откачки воды из котлована слабый верхний слой бетона необходимо удалить. В процессе укладки бетона методом ВПТ бетонолитную трубу после загрузки в нее порции бетонной смеси слегка наддергивают и быстро осаживают. Это делается, чтобы в любом случае обеспечить заглубление трубы в бетонную смесь не менее чем на 0,8 м и не более чем на 2 м. Мастер обязан непрерывно делать промеры уровня бетона и контролировать достаточность погружения конца трубы в слой бетона.

Рис. 2.8 – Подводное бетонирование по методу ВПТ: a – общая схема; б – порядок работ; 1 – бетонолитная труба; 2 – воронка; 3 – подводный бетон; 4 – клапан; 5 – пробка

Для бетонирования водозащитной подушки в котловане используют несколько бетонолитных труб, которые размещают так, чтобы обслуживаемые ими площади участков перекрывали бетонируемую площадь, накладывала, одна на другую.

Радиус действия бетонолитной трубы R, м, определяется из выражения

R = 6KI,

где К – показатель сохранения подвижности бетонной смеси, – время, за которое осадка конуса уменьшается до 0,15 м (К = 0,65 ч);

I – интенсивность бетонирования, принимаемая для котлованов не менее 0,3 м3/м2ч (желательно, чтобы эта величина составляла 1–1,2 м3/м2ч, тогда R = 3–4,5 м).

Бетонирование начинают с одной из труб, расположенных у края котлована. Следующая труба включается в работу после того, как бетонная смесь, растекаясь по площади котлована, покроет нижний конец трубы на 30–40 см. При бетонировании несколькими трубами укладка бетонной смеси осуществляется последовательно. Расстояние между соседними трубами не должно превышать 0,7 радиуса действия трубы.

Осуществляя подводное бетонирование, нельзя допускать прорыва воды внутрь трубы. Если же это случилось, надо прекращать процесс бетонирования. Его можно возобновить немедленно, если перерыв не превысил время сохранения подвижности бетонной смеси. Если это время превышено, бетонирование можно продолжать только после достижения подводным бетоном прочности 2–2,5 МПа,

При укладке литой бетонной смеси получается подводный бетон низкой прочности (если расход цемента составляет 400 кг/м3, бетон получится прочностью всего в 10–15 МПа).

Когда есть необходимость получить подводный бетон более высокой прочности, надо резко увеличить расход цемента до 600 кг/м3 и повысить жесткость бетонной смеси. Но жесткая бетонная смесь плохо растекается по котловану, поэтому при ее укладке необходимо применять вибрирование. Для получения жестких бетонных смесей с осадкой конуса 6–10 см к концевому (нижнему) звену трубы длиной до 20 м жестко крепится один вибратор (вибробулава) или два, если длина трубы превышает 20 м. Вибрирование облегчает прохождение смеси по трубе и ее растекание по площади котлована. Максимальный радиус распространения жесткой бетонной смеси при подводном бетонировании с вибрированием составляет 3 м. Вынужденный перерыв в бетонировании не должен превышать 1,5 ч.

Минимальная толщина тампонажного слоя бетона, укладываемого на грунтовое дно, определяется по расчету из условия (hбabγб + G = hwγwab) – равенства веса подушки и гидростатического выталкивающего воздействия воды (с коэффициентом запаса 1,1), но не менее 1,5 м. Водоотлив из котлована разрешается только после набора подводным бетоном прочности не менее 5 МПа. Подводный массив, сооружаемый методом ВПТ, следует доводить до отметки, на 10 см превышающей проектную отметку, чтобы была возможность удалить верхний слабый слой бетона после откачки воды из котлована.

vse-lekcii.ru