Цементирование, или тампонирование, скважин применяется при обустройстве скважин, их обслуживании и прекращении функционирования. Обрушение стенок может произойти на всех этапах существования выработки: от ее забуривания до ликвидации, аварии устраняются тампонажем скважин. Ремонта в течение срока эксплуатации требуют выработки глубиной ≥50 м — артезианские колодцы.
Ликвидационное тампонирование скважин.
Особенности тампонирования
Под цементированием понимается заполнение трещин в стенках подземной выработки и пространства между стволом и обсадной трубой растворами портландцемента с улучшающими добавками. Целью бетонирования является предотвращение засорения водоносного горизонта и водоисточника веществами биологического и химического происхождения.
Скважины тампонируются для:
- защиты действующего водозабора от верховодки;
- ликвидации сообщения подземного водоносного пласта с земной поверхностью и пересекаемыми выработкой горизонтами гидрогеологического разреза.
В последнем случае раствором заполняется весь объем горной выработки, включая пространство обсадной трубы, если она не извлекается. Полная изоляция водоносного горизонта выполняется при вскрытии водяного пласта артезианской скважиной.
Тампонаж бывает временным, тогда для уплотнения стенок используется глина, и постоянным — с применением цементного раствора. Первый тип изоляции востребован при строительстве скважин и при ликвидации выработок малой глубины, пробуренных на песок.
Подробности
Этапы процедуры
Тампонирование продолжают, пока не дойдет до водораздельной отметки внизу колодца.
Любая процедура в итоге достигает следующей цели:
1.наполняют грунтовые щели, скрепляя почву друг с другом.
Внимание! Тампонаж должен обеспечивать защиту колодца от разрушения грунтовыми водами, от давления горными вымещающими породами.
2.Если в работе используют промывочную жидкость, то ее целиком устраняют из трубы после обработки.
Эти требования должны выполняться в ходе работ, учитывая это, выбирают технологию тампонирования. Важно, чтобы раствор не застыл во время процедуры. Время отвердевания зависит от внешних факторов, разновидности раствора.
Чтобы цементный раствор засох в трубе, потребуется примерно шестнадцать часов, и примерно, двадцать четыре часа для засыхания между трубой и грунтом. Затампонированная скважина подвергается опрессовке. Это считается завершающим этапом работы.
Применяя высокое давление, следует закачать воду, объем которой больше на двадцать процентов, чем расчетное. Давление в трубах через полчаса начинают снижать медленно. Данным способом проверяют герметичность конструкции.
Когда нужно тампонирование
Тампонирование скважины производится при разрушении и коррозии обсадных труб.
Необходимость выполнения противоаварийных работ на стволе гидротехнического сооружения обусловлена деформацией обсадных труб и разрушением вмещающих горных пород — эти явления приводят к загрязнениям источника. Эксплуатация выработки в течение 20 лет также приводит к износу оборудования и необходимости ремонта или ликвидации ствола.
Другие причины для цементации:
- ухудшение характеристик питьевой воды;
- уменьшение дебета до нуля, когда пользование скважиной прекращено;
- использование другого источника, заменившего несколько гидросооружений;
- обнаружение в конструкции ствола неустранимых геологических и технических дефектов, которые повлияли на воду (ухудшилось ее качество, упала производительность скважины);
- запечатывание выполнивших свою задачу поисковых, разведочных, инженерно-геологических и гидрологических скважин;
- прекращение эксплуатации фонтанирующей выработки;
- опасность перетекания жидкости в другие водоносные пласты из поглощающего ствола строящегося гидротехнического объекта.
Тампонаж проводится и для поиска новых водоносных горизонтов в процессе бурения гидрогеологических разведочных или эксплуатационных выработок. Решение о ликвидации артезианской скважины принимается строительной компанией, соорудившей водозабор.
Защита от верховодки
Что касается скважин на песок и абиссинских колодцев – ликвидационный тампонаж скважин для них не делается. Они не настолько глубоки, чтобы предоставлять опасность для загрязнения артезианских водоносных слоев.
Для них применяется защитный тампонаж, который делается во время обустройства скважины. Основная его цель – это обезопасить источник от попадания верховодки. Для этого, герметизируется околотрубное пространство.
Существует несколько способов, как это сделать:
- цементирование бетонным раствором – этот способ применяется довольно редко, т.к. есть более легкие варианты изоляции источника. В этом случае, вначале в околорубное пространство нужно засыпать мелкий щебень, а затем залить верхние несколько метров бетоном;
- сделать подсыпку – в некоторых случаях можно ограничиться простейшей гидроизоляцией, для этого, на небольшой глубине вокруг скважины расстилается полиэтиленовая пленка. А сверху она засыпается грунтом;
- устроить глиняную прослойку – так же как и в случае с цементированием вначале делается засыпка из щебня, а верхние несколько метров засыпаются глиной. Это довольно эффективный способ, т.к. она образует водонепроницаемый слой.
Таким образом, тампонирование скважин на песок и абиссинских колодцев делается довольно быстро. Причем, такие работы без проблем проводятся самостоятельно.
Глиняная засыпка
Преимущества тампонирования
Достоинством цементации является универсальность технологии: она используется для устранения аварийных ситуаций различного вида и является типичной.
Тампонирование позволяет решать многоплановые задачи:
- фиксирование обсадной колонны внутри ствола снижает риск деформирования трубного става и разгерметизации соединительных стыков;
- тампонаж надежно изолирует водоносный пласт от промежуточных уровней геологического разреза, исключая затекания верховодки и загрязненных грунтовых стоков в артезианский горизонт по внешней стороне обсадной колонны;
- обеспечение дополнительной герметизации конструкций гидротехнического сооружения.
К другим преимуществам относятся простота исполнения и прочность конструкции, а также то, что использование цементирования возможно во всех типах грунтов — скальных карстовых, трещиноватых, гравийных и крупнообломочных горных породах.
Основания для ликвидации водозабора
Если скважина подходит под одну из категорий, которые были перечислена выше, то ее следует ликвидировать, ведь существует вероятность, что водоносные горизонты окажутся загрязнены, а они могут использоваться другими водозаборами. Ознакомившись с «Законом о недрах», вы сможете узнать, что пользователь должен обеспечить ликвидацию источника и сохранность водозабора.
Используемые растворы и особенности метода
Водозаборные сооружения строятся по проекту, в котором предусматриваются действия по ремонту и ликвидации скважин посредством тампонирования. Выбор компонентов раствора и типа вяжущего вещества осуществляется с учетом геолого-технических условий на месте расположения скважины. Выполняются расчеты потребности в материалах, планируются способы подачи к нужной точке ствола.
На выбор состава укрепляющей смеси влияют такие факторы:
- технические нарушения в конструкции;
- удаленность забоя выработки от земной поверхности;
- зазор между обсадной колонной и стенками ствола;
- форма и обстоятельства проходки: дефекты, возникающие во время бурения;
- физические свойства и характеристики пересекаемых горных пород.
Схема цементирования.
Особенность метода тампонирования состоит в том, что этот процесс необратимый и чреват потерей водоотдачи скважины. Растворы из смеси портландцемента с песком рекомендуются для выработки, расположенной в глинистых породах. В пористых слоях грунта в состав добавляют волокнистые наполнители: бумагу, асбест, целлюлозу — они способствуют снижению расхода тампонажной смеси. Для запечатывания пустот в песчано-цементный раствор добавляют гравий.
В качестве вяжущего вещества применяют также глину, расплав пластика, вспенивающие составы, а для дезинфекции — хлорную известь. Подача скрепляющей массы в скважину осуществляется насосом через заливочную трубу. Для ремонта и ликвидации водозаборов используют специальный портландцемент, он называется тампонажным.
Определение тампонажа скважин
Итак, тампонаж – что это такое? Фактически, это закупорка скважины, которая делается для предотвращения загрязнения водоносных слоев. Для этого она заливается цементным раствором либо жидким пластиком.
Различают два вида этих работ:
- Ликвидация – делается в тех случаях, когда источник приходит в негодность, либо надобность в нем отпадает.
- Укрепление – в этом случае, тампонаж скважины на воду проводится после буровых работ, во время ее обустройства. Он нужен для защиты водоносных слоев от проникновения грязных поверхностных вод.
Запечатанная скважина
Фактически, ликвидация скважины путем тампонажа, требуется для артезианских источников. Это должно быть указано в ее паспорте, ведь одна из основных сложностей при ее бурении – это оформление разрешения. Все из-за того, что артезианская вода относится к природным недрам страны и охраняется законом. Поэтому, в случае возникновения опасности загрязнения, владелец должен обратиться к работникам санэпидемстанции с соответствующим заявлением.
Подготовительные работы
В процессе строительства и эксплуатации скважины ведутся наблюдения за состоянием стенок выработки, отбираются пробы воды для проведения анализов. Результаты контроля служат основанием для принятия решения о необходимости цементирования.
Порядок подготовки к тампонированию:
- составление акта обследования гидротехнического сооружения, выработка техзадания на укрепление или ликвидацию объекта на основании этого экспертного заключения;
- разработка проекта, согласование его с местной санитарно-эпидемиологической службой;
- утверждение плана тампонажных работ.
Подготовку и осуществление мероприятий контролирует владелец гидросооружения. Собственник земельного участка следит за соответствием выполняемых работ проектным решениям и за соблюдением инструкции о порядке обустройства, консервации и ликвидации скважин. Пакет документов с проектно-эксплуатационной информацией, включая сведения о проведении тампонирования, хранится у владельца водозабора.
Приготовление раствора для тампонажа.
Тампонада влагалища в клинике “МОСМЕД”
Если Вам назначили тампонаду влагалища лекарственными препаратами, вы можете обратиться в гинекологическое отделение клиники “МОСМЕД”. У нас лечебное тампонирование выполняется высокопрофессиональным медицинским персоналом, имеющим большой опыт работы в области гинекологии и акушерства. Для лечения используются только проверенные лекарственные препараты последнего поколения, прошедшие сертификацию и одобренные Министерством здравоохранения. Врачи и медсестры клиники “МОСМЕД” при работе соблюдают все санитарные и гигиенические нормы, используются только стерильные и одноразовые инструменты. А высокая техника проведения лечебного тампонирования исключает у женщины ощущение дискомфорта от нахождения во влагалище инородного тела. Перед проведением процедуры пациентке в обязательном порядке сделают пробу на аллергическую реакцию на применяемый лекарственный препарат, а также дадут подробную консультацию по поводу ее поведения во время нахождения тампона во влагалище и самостоятельному извлечению по прошествии необходимого времени. Такой ответственный и грамотный подход к делу исключает или сводит к минимуму риск развития в дальнейшем негативных побочных эффектов и разного рода осложнений.
Тампонажные цементы
Для обустройства и реставрации нефтяных и газовых скважин создан специальный вид вяжущего – тампонажный цемент. Он обладает уникальными в своем роде свойствами проникновения и высокой адгезии с поверхностью, благодаря чему иногда применяется при ремонте коммуникаций. Рассмотрим основные свойства этого материала, особенности и отличие от традиционного портландцемента.
Состав
Тампонажный цемент – это вяжущее, которое практически не отличается от портландцемента за исключением повышенных требований к минералогическому составу клинкера. Допускается применение добавок, оказывающих влияние на отдельные свойства материала, в связи с чем его делят на группы:
- I – бездобавочный тампонажный ПЦ, который делится на два типа:
- I-G – с нормированными требованиями при водоцементном соотношении 0,44;
- I-H – с установленными требованиями при в/ц 0,38;
- II – тампонажный цемент с добавками минерального происхождения;
- III – тампонажный ПЦ с регулирующими плотность теста добавками.
Для данного типа вяжущего разрешено применение только минеральных и некоторых синтетических добавок, среди которых:
- Триэтаноламин, способствующий повышению гигроскопичности изоляции нефтяных скважин;
- Известняк (гипс) – добавка для расширяющихся цементов;
- Кварцевый песок для утяжелённого и солестойкого цемента;
- Шлаки;
- Шпаты, гематиты и другие утяжеляющие добавки.
К базовому клинкеру предъявляют строгие требования:
- Для холодных скважин количество алюмината трехкальциевого должно быть в пределах 10…13%, около 50% алита;
- Для «горячих» скважин содержание СзА должно быть минимальным – процессы твердения и набора прочности происходят естественным образом при повышении температуры в шахте.
Классификация
Требования к тампонажным цементам предъявляет ГОСТ 1581-96. Он нормирует основные характеристики материала и приводит его подробную классификацию. Кроме того, документ демонстрирует деление вяжущего по нескольким ключевым признакам. Все они отражаются в маркировке цемента и принимаются к сведению при выборе компонентов для строительства.
Плотность цементного теста для ПЦТ III типа:
- Утяжелённый (Ут) – вяжущее с утяжеляющими добавками (песок, шлак);
- Облегченный (Об) – классический состав.
Температурный режим монтажа и эксплуатации выбирают исходя из особенностей работы шахты:
- Низкие и нормальные (15…50)°С;
- Умеренные (51…100) °С;
- Повышенные (101…150) °С.
Стойкость к сульфатам, присутствующим в недрах грунтовых пород, для утяжеленных и облегчённых тампонажных цементов групп I, II, III:
- Обычные (без специальных требований);
- Сульфатостойкие со специальными присадками (СС).
Для типов I-G и I-H выделяют два уровня сульфатостойкости:
Степень защиты от сульфатов определяется анализом грунта при пробном или исследовательском бурении.
- Гидрофобизированное (ГФ);
- Пластифицированное (ПЛ).
Маркировка
По приведенным признакам тампонажного портландцемента (ПЦТ) можно расшифровать маркировку пакета. На примере ПЦТ III-Об 5-100-ГФ ГОСТ 1581-96:
ПЦТ – портландцемент тампонажный;
III-Об – третий тип уплотненного вяжущего облегченный;
5 – марка прочности тампонажного цемента. Определяется производителем;
100 – температура монтажа и эксплуатации, умеренный тип;
ГФ – гидрофобизированное вяжущее, стойкое к воде;
ГОСТ 1581-96 – нормативный документ.
Основные технические показатели
Поскольку тампонажный цемент применяется в строительстве скважин нефтедобычи и сопутствующих продуктов, его свойства строго регламентированы ГОСТом, которые настоятельно рекомендуется придерживаться производителям вяжущего.
Основные характеристики ПЦТ по ГОСТ 26798.1-96:
| Насыпная поверхность | 250…1500 м 2 /кг | Параметр зависит от тонкости помола, минералогического состава порошка и включённых в состав добавок. |
| Плотность насыпная удельная | 800…1200 кг/м 3 | |
| Водосодержание (отношение массы воды к твердой фазе сухого вещества) | 0,2…0,25 (в теории), 0,35…0,4 (на практике) | Для получения пластичного раствора добиваются 18 см расплыва материала по конусу АзНИИ, то есть для каждой партии и раствора количество воды превышает нормируемое. |
| Подвижность | В пределах 18…25 см при в/ц=0,5 | Нижний предел подвижности – 16 см. В таком состоянии раствор еще сохраняет пластичность, но она критично низкая. |
| Срок схватывания | Начало – не ранее 1 час 45 мин, конец – не позже 10 часов | Гидратационное твердение тампонажного цемента в шахте зависит от состава и условий. В «горячих» скважинах гидратация происходит интенсивно благодаря нагреванию раствора, в «холодных» — из-за активных компонентов. Время определяют лабораторно посредством иглы Вика (от её провала до 1-2 мм на поверхности). |
| Водоотделение при гидратации* | 7,5…8,5 мл на 250 мл раствора | В зависимости от состава и условий твердения |
| Прочность | 27-62 кг/см 2 | Определяется на вторые сутки, ключевой показатель. Также проводятся испытания образцов через 8 часов от формовки (мин. 2,1 МПа при температуре 38°С и мин. 10,3 МПа при 60°С). Через 28 суток такой цемент не тестируют. |
| Усадка | Не допускается | Для обустройства нефтяных и газовых шахт подходят только безусадочные или расширяющиеся тампонажные цементы. |
*В процессе монтажа и на начальных стадиях твердения твердые и крупные фазы раствора оседают вниз, оставляя мелкие компоненты и воду на поверхности. Чтобы определить седиментационную устойчивость, принимают во внимание данный параметр.
Специфика применения
Тампонажные цементы предназначены для обустройства внешней защиты нефтеносной трубы. От состояния бетонного (цементного) слоя во многом зависит качество службы канала, как и продолжительность его эксплуатации. По этой причине к данному типу цементов предъявляют высокие требования.
Замес и заливка раствора происходят исключительно механическим способом, подача в шахту осуществляется насосной установкой. В связи с этим смесь делают подвижной, но не чрезмерно насыщенной водой.
Затвердевание происходит в условиях грунта, поэтому важен правильный выбор состава раствора, в частности – тампонажного цемента. Важно, что при гидратации и твердении не допускается усадка раствора и камня, иначе между стальной трубой и бетоном образуется прослойка, теряется функция защиты нефтеноса от окружающей агрессивной среды.
Применение цементов безусадочных и расширяющихся возможно по всей протяженности шахты и по отдельным ее частям при строительстве и ремонте.
Редко, но все же иногда тампонажные цементы применяют при ремонте коммуникаций из железобетона (канализации, вводные каналы).
В целях строительства домовых конструкций использование материала нецелесообразно – он обладает неподходящими характеристиками и дорого стоит, гораздо проще воспользоваться обычным или улучшенным портландцементом марок М300-М400, в зависимости от потребностей конструктивного элемента.
Тампонажный цемент: характеристики и применение
Этот строительный материал является разновидностью портландцемента. Состав предназначен для выполнения работ по изоляции скважин от давления грунтовых вод при добыче нефти и газа. Он обладает хорошими техническими и строительными характеристиками. Требования к такому цементу определены государственными стандартами 1581-96.
Состав
В состав тампонажного цемента входит измельченная основа клинкера с гипсом. Применяют и компоненты, которые воздействуют на определенные свойства материала. На рынке представлены различные подвиды раствора для нефтяных и газовых скважин:
- Песчанистые. В состав смеси входит кварцевый песок с гипсом. Соотношение компонентов для «холодных» скважин — 20%. Для «горячих» — 50%.
- Гигроскопический с добавкой триэтаноламина.
- Солестойкий. Применяется в местах с высокой концентрацией солей в грунтовых водах. Кварцевый песок, входящий в состав цементного раствора, предупреждает появление коррозии.
- Утяжеленный. При производстве перемешивают клинкер и утяжеляющие добавки: железную руду в форме магнетитов, гематитов, шпальтов.
В горячей скважине цемент затвердевает быстрее, характеризуется повышенной прочностью благодаря низкому проценту СзА.
По химико-минералогическому составу тампонажный цемент схож с портландцементом. Но минералогическая клинкерная основа на разных производствах отличается. Клинкеры для холодных скважин обладают следующими характеристиками:
- Высоким содержанием трехкальциевого силиката (57-60%) при низкой концентрации СзА (4-7%). Тонко измельченный клинкер обеспечивает высокую активность цемента на стадии отвердевания и необходимую скорость схватывания.
- Повышенным содержанием трехкальциевого алюмината (12-13%). Это способствует быстрое схватывание и затвердевание состава.
Тампонажный цемент, затворенный водой на 50%, дает подвижную пульпу, которую накачивают насосами в скважины. Нужно, чтобы твердый камень из портландцемента обладал высокой начальной прочностью. Чтобы регулировать сроки застывания, в состав включают гипс. Его дозировку подбирают исходя из компонентов клинкерной основы и степени помола.
Тампонажный портландцемент обладает рядом особенностей:
- водостойкость — возможность застывания под водой;
- сочетание с различными наполнителями;
- быстрое затвердевание.
Вне зависимости от условий окружающей среды он сохраняет свою целостность и прочность длительное время.
Маркировка
На пакетах со строительным составом указаны обозначения типа: ПЦТ III-Об 5-100-ГФ ГОСТ 1581-96. По этим показателям определяется маркировка:
- ПЦТ — портландцемент тампонажный;
- III-Об — третий вид уплотнителя облегченного, вяжущего;
- 5 — показатель прочности;
- 100 — температура для укладки и использования, тип умеренный;
- ГФ — гидрофобизированное вяжущее, устойчивое к влаге;
- ГОСТ 1581-96 — стандарт, установленный государством.
Производство материала должно производиться строго по ГОСТу и техническому регламенту.
Параметры
Тампонажный цемент по своему составу классифицируются на различные виды:
- песчанистые (П50);
- с добавками (Д20);
- без добавок (Д0);
- с добавками (утяжеляющими или облегчающими), регулирующими плотность смеси.
По плотности цементного раствора выделяют:
- утяжеленный (У);
- облегченный (О);
- с нормальной плотностью.
По температуре использования:
- для высоких (150);
- низких и нормальных (50);
- умеренных (100).
По степени сульфатостойкости:
Производитель гарантирует соответствие портландцементов принятым государственным стандартам при соблюдении условий транспортировки и хранения в упаковке.
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.
Области применения
Главное назначение строительного материала — тампонирование нефтяных и газовых скважин. При бурении температура горных пород сильно воздействует на статическое напряжение сдвига, водоотдачу и вязкость раствора для бурения. Чем больше температура горных пород, тем труднее удерживать заданные параметры на уровне. При серьезной разности температур требуется применение тампонажного портландцемента.
Процесс представляет собой заделку цементным раствором пространства между обсадной трубой и стенками. Когда состав затвердеет, полученная прослойка будет способствовать надежной защите от грунтовых вод. Заполнять свободное пространство можно частично или полностью, принимая во внимание параметры грунта.
Тампонажный цемент при жилом строительстве не применяется. Исключение — закладка буровых свай под фундамент в тяжелых условиях.
Применение
Тампонажный цемент не заливают вручную. Его закачивают с помощью насосов. Поэтому состав должен быть жидким — 1 часть воды на 2 части сухого порошка. Полученную субстанцию называют пульпой. Зазор между стволом скважины при глубине на сотни и тысячи метров должен быть 15-50 мм. Требования к цементному составу строгие: сохранение первоначальной подвижности при скорости поступления в шахту около 1,5 м/с. Когда процесс завершится, прочность будет возрастать.
Высокие показатели твердости обеспечиваются, если использован качественный цемент. Чтобы в этом убедиться, крошку просеивают через сито. Если порошка осталось на 3/4, то состав считается высококачественным.
Таким образом, тампонажный цемент — продукт, получаемый путем измельчения цементного клинкера гипса и различных добавок. Смесь используется для цементирования нефтяных и газовых скважин для защиты свободного пространства между обсадной колонной и стволом скважины от воздействия подземных вод. В сфере строительства его не применяют. Раствор реализуют навалом и в мягких мешках весом 50 кг.
Тампонажный цемент в строительстве: что это такое, где применяют, состав, технические характеристики
Тампонажный цемент представляет собой один из видов структурных материалов. Это разновидность портландцемента. Материал предназначен для строительства и возведения различных скважин, например, для добычи природных жидких источников топлива от давления подземных вод.
Состав и особенности
Тампонажный цемент представляет собой вяжущий состав, который почти не имеет отличий от портландцемента. Однако присутствуют повышенные требования к содержанию клинкера. В тампонаже доля клинкера может достигать 100%. Обязательная примесь — до 3,5% молотого гипса.
Чтобы улучшить свойства материала, можно дополнять его различными минеральными элементами, которые в сумме будут составлять не более 12% от общей массы. Должно быть не больше 10% известняка, шлаков — до 20%.
Условия, нормы веществ и предназначение для тампонажного цемента записаны в ГОСТ 1581. Тип веществ определяется процентной долей огнеупорных примесей и остальных компонентов. Рецепт готового цемента может варьироваться в зависимости от производителя.
Особенности тампонажного цемента:
- мельчайший помол;
- ускоренный процесс затвердевания;
- повышенная механическая прочность и жесткость;
- при разбавлении водой консистенция отличается от таковой у других видов цемента.
К показателю текучести есть повышенные требования в строительных нормах и правилах. Скорость перемещения раствора цемента должна достигать 1,5 м/с при небольших размерах технологических отверстий. Из-за чрезвычайно высокого давления в местах использования такого состава песок, арматура, опалубка, щебень не добавляются. Поэтому вяжущее является единственным компонентом.
Особенности применения такого состава обусловливают высокие требования к нему как к строительному материалу. Он должен понижать оказываемое давление на трубопровод или другую часть, которая подвергается изоляции. Кроме того, тампонажный раствор должен обладать большей скоростью застывания, которая достигается за счет ввода различных добавок во время изготовления.
Основные технические характеристики
- Механическая прочность спустя 8 часов достигает 2,1-10,3 МПа в зависимости от температуры. Максимальный показатель наблюдается при 60 °С.
- Жесткость на изгиб варьируется в диапазоне 0,7-3,5 и зависит от производителя и марки.
- Остаточная масса на сите с сетью №0,08 — не более 15%.
- Удельная поверхность — не больше 270 м²/кг.
- Показатель отделения влаге не должен превышать 10.
- Растекаемость под действием влаги варьируется в зависимости от вида. Непластифицированный тампонажный цемент может растекаться со скоростью до 200 мм. Пластифицированный — до 220.
- Состав застывает до консистенции 30 за 90 минут и больше.
Все характеристики должны быть приведены в пометке изготовителя вместе с информацией о дате производства. Портландцемент теряет свойства через полгода или под действием воздуха.
Скорость затвердевания будет зависеть от температурных показателей в скважине и процента щелочных веществ в составе. Если температура превышает 60 °С, время застывания может меняться.
Классификация тампонажных цементных смесей
Согласно показателям плотности условно выделяют 2 типа:
- Облегченный тип — нормальная смесь.
- Утяжеленный, содержащий примеси, увеличивающие массу.
В зависимости от температурного режима есть такие типы:
| Номенклатурное наименование | Диапазон температур, °С |
| Низкие и нормальные | 15-50 |
| Умеренные | 51-100 |
| Повышенные | 101-150 |
Виды составов по степени устойчивости веществ к химикатам, которые содержатся в грунтовых водах:
- без повышенной устойчивости;
- устойчивые к сульфатам, включающие специальные добавки.
Для некоторых типов выделяют 2 уровня устойчивости к сульфатам: умеренный и повышенный.
По состоянию цементного теста материал разделяют на:
Маркировка и ее расшифровка
Каждый вид тампонажного цемента обладает собственным номенклатурным наименованием, которое соответствует свойствам.
Маркировка тампонажа состоит из 5 обозначений:
- ПЦТ — тампонажный портландцемент.
- Тип вяжущего и пометка об облегченном или утяжеленном составе.
- Третье числовое значение соответствует уровню прочности изделия. Этот показатель определяется изготовителем.
- Следующее число определяет уровень температур и состояние цементного теста. Например, 150-ПЛ — для работы с повышенными температурами. Пластифицированное тесто.
- Последняя пометка — нормативный акт, которому соответствует произведенный продукт.
Добавки для улучшения тампонажных растворов
Чтобы улучшить эксплуатационные качества раствора, можно использовать дополнительные добавки:
- Хлорид кальция и карбонат натрия ускоряют время схватывания цемента. При добавлении в жидкость получается смесь быстрого схватывания, может применяться при температурных показателях до 65 °С. Для расширительных свойств добавляют до 30% гипсоглиноземистого цемента.
- Если добавить гипс, существенно сокращается срок затвердевания, в результате камень с повышенной прочностью формируется спустя 3-4 часа после закачки раствора. Чтобы не допустить застывания в самих бурах, добавляются ингибиторы процесса.
- Бентонит повышает начальную подвижность раствора, что особенно важно при его закачке.
- Составы с включением глины дополнительно улучшают вязкость материала во время его продавливания, что позволяет обеспечить последующее затвердение раствора с повышением пластической прочности.
- Цементно-смолистый состав с добавлением пластических веществ, в основном эпоксидных алифатических смол, применяется, если рядом со скважиной расположены водоносные пласты.
- Если требуется закачать раствор на глубину более 100 м, добавляют дизтопливо. Цемент полностью инертен к органическим углеводородам, а раствор становится намного более вязким. Прочность приобретается после того, как углеводороды заменятся водой.
Технология и область применения
Этот вид цемента не участвует в строительстве жилых зданий из-за слишком быстрого застывания. В основном используются такие бетонные блоки в нефтегазовых скважинах. Раствор можно применять для заливки свай в сложных условиях.
Он заливается полностью за счет воды при помощи специальных помп, жидкость добавляется к составу в соотношении 2:1. Затем, когда цемент станет подвижным тестом (это состояние, которое получило название «пульпа»), можно закачивать его в отверстие. После полного затвердевания материал становится монолитным и надежно защищает от грунтовых вод.
Применение тампонажного цемента, его классификация и маркировка
Одним из уникальных подвидов портландцемента является тампонажный цемент. Он используется в тампонажных работах, цель которых — исключить влияние агрессивных газов и сред на трубы при бурении скважин, снизить давление на них и гарантировать их безопасную эксплуатацию.
Особенности и состав
К специфическим особенностям тампонажного цемента можно отнести такие его свойства, как:
- Быстрый период затвердевания, при том, что достаточно долгое время перемешанная с водой смесь сохраняет свои подвижные и вязкие свойства;
- Устойчивость к воздействию влаги — затвердевает даже в воде;
- Совмещение с различными добавочными веществами.
Тампонажный цемент прочен и целостен длительное время, независимо от влияния вредных окружающих сред.
Основной состав строительного материала представлен измельченным клинкером и гипсом. Также для воздействия на те или иные свойства применяют минеральные добавочные вещества. Для цементирования буровых скважин при нефте- и газодобыче производятся разные виды растворов, а именно:
- Гигроскопический. К основной смеси добавляют триэтаноламин.
- Утяжеленный. В клинкеро-гипсовую основу вводят утяжеляющие добавки, одной из которых могут быть железорудные минералы (тяжелые шпальт, гематит, магнетит).
- Песчанистый. Основной состав смешивают с гипсом и кварцевым песком, при этом соотношение компонентов должно быть для использования в горячих скважинах не больше 50% и менее 20% в холодных.
- Солестойкий. В раствор добавляют кварцевый тонкоизмельченный песок, противостоящий коррозии, которая образуется в результате воздействия на трубы грунтовых вод с высокой концентрацией соли.
Кроме обычного тампонажного портландцемента производят сульфатостойкую смесь, которая не поддается воздействию агрессивной среды, долговечный низкогигроскопичный цемент, а также волокнистую смесь для прочного цементирования путей утечки раствора.
Технические характеристики
Тампонажный цемент характеризуется следующими техническими параметрами:
- Быстрым периодом загустения цементного раствора – не более 90 ед. консистенции;
- Расслоением затвердевшей массы либо водоотделением: для холодной — в пределах 3,5%, для горячей — около 4%;
- Малым объемом растекаемости раствора – максимум 0,4 см;
- Началом затвердевания – не более 120 минут (после затворения);
- Окончанием затвердевания – для холодного материала – не более 18 часов и для горячего — не более 8 часов (после затворения).
Помимо этого, нормируется также тонкость измельчения клинкера и лимит прочности на изломе макета из затвердевшей смеси.
Классификация и маркировка
Строительный материал можно классифицировать в зависимости от следующих критериев:
- Состав цементного вещества:
- I — без добавок;
- I-G — без добавок, с нормой требования соотношения воды и цементной смеси — 0,44;
- I-H — без добавок, с нормой требования соотношения воды и цементной смеси — 0,38;
- II — с минеральными добавками;
- III — с добавлением специальных веществ, которые регулируют плотность цемента.
- В свою очередь, портландцемент тампонажный III-го типа делится по плотности:
- Ут — утяжеленного типа;
- Об — облегченного типа.
- Температура использования цементного теста:
- в пределах 15°С — 50°С — низкие и нормальные температуры;
- от 51°С до 100°С — умеренные;
- от 101°С до 150°С — повышенные.
- Степень противостояния разрушающим действиям сульфат-ионов:
- типы I, II, III — СС — сульфатоустойчивые и обычные (так как нормы по поводу сульфатоустойчивости не фиксируются);
- типы I-G и I-H — СС-1 — с высокой степенью противостояния сульфатам и СС-2 — с умеренной степенью сульфатопротивостояния.
Маркировка материала включает:
- Буквенное обозначение: ПЦТ — портландцемент тампонажный;
- Тип — I (I-G, I-H), II, III;
- Сульфатостойкость — СС, СС-1, СС-2;
- Среднюю плотность для III-го — Об, Ут;
- Максимальную температуру использования вещества — 50, 100, 150 °С;
- Пластификацию, либо гидрофобизацию цемента — ПЛ либо ГФ;
- Обозначение госстандарта.
Пример маркировки и ее расшифровка
Марка ПЦТ II-СС-50 ГОСТ 1581-96 означает, что эта смесь называется тампонажным портландцементом, в состав которого входят минеральные добавки. Это вещество с сульфатоустойчивыми параметрами, используется при температурах в диапазоне от низкой до нормальной.
Область и технология применения
Отличительной особенностью тампонажного цемента является высокая степень крепости с самого начала затвердения. Это качество и обусловило главную сферу применения данного материала — цементирование (либо тампонирование) нефтегазовых скважин при одновременном вытеснении буровой смеси. В жилищном строительстве этот вид цемента не применяется. Исключение составляет установка буровых свай в сложных условиях.
Тампонажный цемент закачивается насосами, поэтому раствор используют в достаточно жидком виде: к сухой цементной смеси добавляется вода в пропорции 2:1. После затворения большими объемами жидкости цемент преобразуется в подвижную массу, именуемою пульпой, ее и закачивают в скважину. По окончании этапа транспортировки масса затвердевает и становится безусадочным плотным монолитом, который хорошо скреплен со стенками ствола скважины и обсадной трубой.
Полученный слой надежно защищает от грунтовых вод, либо сдвижек пластов разной плотности. Учитывая свойства грунта, заполнение бывает либо полным, либо частичным. Кроме обеспечения защиты, тампонажный цемент может сократить глубину и укрепить дно скважины, а также ликвидировать повреждения на обсадных колоннах.
Подбор каждой конкретной марки ПЦТ осуществляется с учетом условий использования и глубины скважины. Бурение на болоте или в песчаном грунте, либо закладка скважин глубже 2000 м предполагает применение облегченных видов (в данной ситуации — рекомендована марка ПЦТ-III-об-5-100).
Важное значение при работе с ПЦТ имеет температура в шахте. При высокой температуре, пульпа затвердевает в период от 90 минут до 10 часов. Более горячая температура способствует быстрейшему схватыванию раствора. При использовании в холодной скважине (либо если материал применяется для гидроизоляции при возведении сооружений зимой) затвердение начинается по истечении 120-180 минут и может завершиться через двадцать часов. Более длительный период застывания у солестойкого цемента.
Тампонажный цемент – свойства и сферы применения
На заключительном этапе работ по обустройству скважин пространство вокруг обсадной колонны заполняют специальным цементным раствором. При затвердевании он образует монолитную рубашку для защиты трубы от агрессивных сред и газов. Для приготовления состава используется тампонажный цемент ПТЦ – особый подвид портландцемента.
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.
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.
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.
| Наименование показателя, ед.измерения | Возможный диапазон, численное значение |
| Прочность на сжатие через 8 ч, Мпа | При твердении при температуре 38°С – 2,1 60 °С – 10,3 |
| Прочность на изгиб, МПа | От 0,7 до 3,5 в зависимости от марки ПЦ |
| Тонкость помола:
Остаток на сите с сеткой №008, %, не более Удельная поверхность, м2/кг |
|
| Водоотделение, мл, не более | 7,5-10 |
| Растекаемость теста, мм, не менее | Для непластифицированного – 200
ПЛ – 220 |
| Время загустевания до консистенции 30, мин, | От 90 |
Данные характеристики тампонажного цемента приводятся в сертификате на продукцию вместе с информацией о дате изготовления и объеме партии материала.
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.
Заключение
Производители тампонажных цементов выпускают материалы с различными характеристиками для применения в любых условиях.
При подборе марки ПТЦ учитывается:
- глубина скважины;
- характеристики геологических пластов;
- уровень температуры в шахте (влияет на сроки затвердения раствора);
- показатель содержания соли в грунтовых водах и т.д.
Чтобы готовый монолит отвечал всем требованиям, важно использовать свежий тампонажный цемент, который хранился в герметичной упаковке.
Тампонажный цемент, что это такое
Назначение буровых смесей
Циркуляция воды в скважине способствует прочистке отверстия, чем помогает бурительному и заделочному процессам. При условии, что используется активный состав с дополнительными эксплуатационными свойствами, можно рассчитывать на целый ряд других эффектов, среди которых следующие:
- Образование фильтрационной корки на стенах открытого ствола. В результате укрепляются неустойчивые отложения, глинистые породы и сыпучие пласты.
- Создается противодействие поровому давлению.
- На забойную силовую установку и долото транслируется дополнительная гидравлическая энергия.
- Буровые и тампонажные растворы транспортируют разработанную породу и после завершения циркуляции удерживают эту массу во взвешенном состоянии.
- Предотвращаются риски возникновения осложнений, дифференциальных прихватов, нефтегазопроявления и поглощения скважины.
- Предупреждаются обвалы и осыпи.
- Оказывается смазывающее воздействие на буровое оборудование.
- Обеспечиваются охлаждение и смазка инструмента.
Модификация свойств буровой смеси
Корректировка тех или иных качеств не всегда возможна обычными средствами и материалами, поэтому целесообразнее использовать специальные присадки и добавки, которые эффективно и точечно изменяют нужные свойства. В их числе отмечаются следующие модификаторы:
- Карбонат натрия. Используется для сокращения времени схватывания. С помощью данного ускорителя получают быстросхватывающиеся растворы, пригодные для использования при температурах до 55-65 °С.
- Бентонит. Увеличивает показатель начальной подвижности промывочного раствора, оптимизируя мероприятия по его закачке. Этот модификатор рекомендуется использовать применительно к тампонажным растворам, плотность которых варьируется от 1,5 до 2,2 г/см3.
- Гипсоцементные суспензии. Улучают способность раствора к водоотдаче. Основа становится более стойкой к растворению в воде. Для промывочных составов использование суспензий бессмысленно, однако в целях укрепления ствола – вполне допустимо.
- Цементно-смолистые добавки. Разновидность пластификатора с эпоксидными смолами, которые применяются для промывки скважин с осложнениями водоносных пластов.
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.
Общее понятие о цементе тампонажном
Цемент — это общее название вяжущего материала в строительной отрасли, Цемент — один из важнейших строительных материалов. При затворении водой цемент сначала представляет собой пластичную массу, затем твердеет до состояния камня. Цемент используется совместно с наполнителями, в виде щебня и песка.Цемент тампонажный (портландцемент тампонажный) — это разновидность портландцемента, предназначенного для цементирования нефтяных и газовых скважин. Данный цемент изготовляют совместным тонким измельчением клинкера и гипса.
По температурному режиму применения цемент тампонажный выпускается в двух видах:
- для низких температур до 50°С, например ПЦТ-I-50;
- для умеренных температур до 100°С, например ПЦТ-I-100.
Цемент тампонажный облегченный (портландцемент тампонажный облегченный) — представляет собой сухую смесь цемента тампонажного и облегчающей добавки. Отсюда и характеристика «облегченный» в наименовании. Если у цемента тампонажного плотность составляет 1,7 г/см3, то у облегченного 1,4-1,6 с погрешностью 0,04 г/см3. Значение плотности зависит от количества в цементе облегчающей добавки. По требованиям ГОСТ 1581-96, ее количество в процентном соотношении не должно превышать 70%.
Основа для состава тампонажной смеси
Для создания буровых растворов применяются пластические и тонкодисперсные глины с минимальными включениями песка, которые вместе с водой могут образовывать вязкую суспензию с длительным периодом оседания. При разработке газовых и нефтяных скважин специалисты рекомендуют использовать щелочные виды монтмориллонитовых глин, а также глинопорошки. Кроме того, в состав тампонажного раствора входит техническая вода, гидрогели и солевые компоненты. Современные смеси включают инвертную эмульсию, известково-битумные основы и полимерные компоненты. Соотношения между ингредиентами и конкретный их набор зависит от эффекта, который необходимо достичь, и условий применения раствора. В любом случае к нежелательным компонентам относятся примеси наподобие гипса и растворимых минералов, которые понижают стабильность вязкого глинистого сырья.
1 Характеристики
5.1.1 Вещественный состав
цементов всех типов должен соответствовать значениям, указанным в таблице 1.
5.1.2
Требования к физико-механическим показателям, характеризующим
тампонажно-технические свойства цемента типов I-III, приведены в таблицах 2 и 3, а цемента типов I-G и I-H — в таблице 4.
5.1.3 Требования к
химическим параметрам цементов приведены в таблице 5.
Таблица 1 В
процентах
Специальная добавка — облегчающая (в том
числе природная пуццолановая) или утяжеляющая
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.
Назначение буровых смесей
Циркуляция воды в скважине способствует прочистке отверстия, чем помогает бурительному и заделочному процессам. При условии, что используется активный состав с дополнительными эксплуатационными свойствами, можно рассчитывать на целый ряд других эффектов, среди которых следующие:
- Образование фильтрационной корки на стенах открытого ствола. В результате укрепляются неустойчивые отложения, глинистые породы и сыпучие пласты.
- Создается противодействие поровому давлению.
- На забойную силовую установку и долото транслируется дополнительная гидравлическая энергия.
- Буровые и тампонажные растворы транспортируют разработанную породу и после завершения циркуляции удерживают эту массу во взвешенном состоянии.
- Предотвращаются риски возникновения осложнений, дифференциальных прихватов, нефтегазопроявления и поглощения скважины.
- Предупреждаются обвалы и осыпи.
- Оказывается смазывающее воздействие на буровое оборудование.
- Обеспечиваются охлаждение и смазка инструмента.
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.
| Наименование показателя, ед.измерения | Возможный диапазон, численное значение |
| Прочность на сжатие через 8 ч, Мпа | При твердении при температуре 38°С – 2,1 60 °С – 10,3 |
| Прочность на изгиб, МПа | От 0,7 до 3,5 в зависимости от марки ПЦ |
| Тонкость помола: Остаток на сите с сеткой №008, %, не более Удельная поверхность, м2/кг |
10-15
230-270 |
| Водоотделение, мл, не более | 7,5-10 |
| Растекаемость теста, мм, не менее | Для непластифицированного – 200 ПЛ – 220 |
| Время загустевания до консистенции 30, мин, | От 90 |
Данные характеристики тампонажного цемента приводятся в сертификате на продукцию вместе с информацией о дате изготовления и объеме партии материала.
Основа для состава тампонажной смеси
Для создания буровых растворов применяются пластические и тонкодисперсные глины с минимальными включениями песка, которые вместе с водой могут образовывать вязкую суспензию с длительным периодом оседания. При разработке газовых и нефтяных скважин специалисты рекомендуют использовать щелочные виды монтмориллонитовых глин, а также глинопорошки. Кроме того, в состав тампонажного раствора входит техническая вода, гидрогели и солевые компоненты. Современные смеси включают инвертную эмульсию, известково-битумные основы и полимерные компоненты. Соотношения между ингредиентами и конкретный их набор зависит от эффекта, который необходимо достичь, и условий применения раствора. В любом случае к нежелательным компонентам относятся примеси наподобие гипса и растворимых минералов, которые понижают стабильность вязкого глинистого сырья.
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.
Свойства тампонажных смесей
Технико-эксплуатационные свойства буровых смесей определяются подобранной рецептурой и на практике применения определяют качества взаимодействия с материалами пластов скважины. Учитываются следующие свойства тампонажного раствора:
- Водоотдача. В условиях перепадов давления происходит процесс водоотделения от активной фазы раствора. В зависимости от параметров ствола скважины показатель скорости водоотдачи может быть разным, корректируется индивидуально. Например, если планируется укрепление конструкции, то водоотдача раствора должна быть близка к нулю.
- Седиментационная стойкость. Процесс отделения воды от раствора, при котором цементная масса движется вниз, а жидкость – вверх.
- Загустевание. Определяется множеством факторов, среди которых степень помола компонентов раствора и наличие материалов, повышающих вязкость. На стимуляцию этого свойства влияет увеличение доли воды, а на понижение – стороннее тепловое воздействие.
- Схватывание. Как правило, технологи стремятся повышать это качество до максимума в конкретных условиях. Для этого используется наращивание температуры с давлением, а также изоляция ствола в условиях повышенной влаги.
Модификация свойств буровой смеси
Корректировка тех или иных качеств не всегда возможна обычными средствами и материалами, поэтому целесообразнее использовать специальные присадки и добавки, которые эффективно и точечно изменяют нужные свойства. В их числе отмечаются следующие модификаторы:
- Карбонат натрия. Используется для сокращения времени схватывания. С помощью данного ускорителя получают быстросхватывающиеся растворы, пригодные для использования при температурах до 55-65 °С.
- Бентонит. Увеличивает показатель начальной подвижности промывочного раствора, оптимизируя мероприятия по его закачке. Этот модификатор рекомендуется использовать применительно к тампонажным растворам, плотность которых варьируется от 1,5 до 2,2 г/см3.
- Гипсоцементные суспензии. Улучают способность раствора к водоотдаче. Основа становится более стойкой к растворению в воде. Для промывочных составов использование суспензий бессмысленно, однако в целях укрепления ствола – вполне допустимо.
- Цементно-смолистые добавки. Разновидность пластификатора с эпоксидными смолами, которые применяются для промывки скважин с осложнениями водоносных пластов.
Технология применения тампонажной смеси
Для использования буровых растворов используется специальное оборудование, обеспечивающее техническую возможность операций циркуляции. В процессе применение тампонажные растворы совершают следующий технологический цикл:
- Состав замешивается и хранится в специальной емкости.
- Насосное оборудование через колонну бурильного трубопровода начинает перекачку раствора из емкости в скважину.
- По трубам смесь направляется к забою скважинного ствола, где долото бурильной установки разрабатывает очередной слой породы.
- Раствор возвращается на поверхность, неся с собой частицы породы, отделенные долотом.
- По затрубу масса поднимается вверх, проходя между бурильной трубой и стенами скважины.
- На поверхности выполняется операция фильтрации и очистки раствора от шлама. Для этого применяют вибрационное сито.
Виды растворов для бурения
В практике применения обычно выделяют следующие виды тампонажных смесей:
- Буровой лигнитовый. Раствор на щелочной основе, который модифицируется лигнитами.
- Известково-битумный раствор. В качестве основы используются нефтепродукты – комбинация дисперсионной среды из нефти или дизельного топлива, а также битума и оксида кальция в качестве дисперсной фазы.
- Облегченная смесь для промывки. Представляет собой уменьшенный в массе тампонажный раствор с минимальными показателями плотности. Используется при разработке скважин с низким давлением пластов.
- Полимерный раствор. В основе состава находится вода, содержащая высокомолекулярные линейные полимеры. Обычно используется в процессах бурения крепких пород.
Проверка на соответствие ГОСТу
Согласно ГОСТу 26798.1-96, параметры буровых растворов определяются без учета возможных воздействий, которые могут иметь место в процессе эксплуатации материала в реальных условиях с подключением обсадных колонн. На соответствие нормативам проверяется время загустевания смеси, плотность и вязкость. При этом для разных составов и технические показатели, и перечень критериев оценки могут меняться. Так, для определения свойств расширения и прочности в случае с тампонажным цементным раствором используется ГОСТ 1581-96, требующий, чтобы испытания проводились при температуре окружающей среды порядка +30 °С. В процессе затвердевания смесей цементного камня в ограниченном объеме показатели прочности могут быть выше, чем при использовании аналогичной по составу массы при заполнении скважины. И, напротив, проницаемость раствора понижается.