Институт нефти и газа
Скачать 4.53 Mb.
|
8.2.1 Облегчающие добавки Приготовление облегченных тампонажных растворов как за рубежом, так и у нас в России в основном осуществляют путем сочетания вяжущего материала с добавками, имеющими значительно меньшую плотность по сравнению с первым, либо добавками или реагентами, увеличивающими для обеспечения подвижности тампонажных растворов водосодержание в последних. Круг этих материалов широк и разнообразен. Впервые в России и в зарубежной практике в качестве облегчающей добавки стали использовать глины и глинопорошки. Например, Н. Н. Круглицким [28] рекомендуется введение палыгорскитовой глины 5 —7 % от веса раствора. В. С. Данюшевский [29] предлагает затворение портландцемента на водной суспензии палыгорскита. Учитывая пониженную прочность деформирующегося цементного камня и недостаточное снижение плотности, всего лишь до 1500 кг/м3, В. Ф. Горским [30] рекомендовано перед затворением портландцемента водную суспензию палыгорскита подвергнуть диспергации до стабилизации вязкости, а после затворения портландцемента, полученную цементно-глинистую смесь подвергать дополнительно диспергированию под давлением. Предложенный способ получения уменьшает процент добавки палыгорскита в 5 - 10 раз. При этом по их данным ускоряются процессы гидратации, связывается большее количество воды затворения, образуется более прочный, плотный и безусадочный камень. По данной технологии можно получать облегченный цементный раствор плотностью 1300 — 1700 кг/м3. В этих же целях В. Р. Абдуллиным и др. [31] предлагается в качестве облегчающей глиносодержащей добавки мелкогранулированный глиноматериал (МГГМ), полученный методом высокотемпературной распылительной сушки отработанных глинистых буровых растворов при соотношении компонентов по массе: портландцемента 65-90 %, МГГМ 10-35 %. Плотность получаемого тампонажного раствора 1390—1600 кг/м3, прочность формирующегося цементного камня при 70 "С в возрасте двух суток составляет 2,1 - 4,4 МПа. В. И. Матициным и др. [32] предлагается вместо глинистого материала использовать модифицированный карбонат натрия и акриловый полимер М-14ВВ, модифицированный глинопорошок 5-20%. При плотности 1460-1500 кг/м3 прочность формирующегося камня в возрасте двух суток при температуре твердения от 5 до 75 0С составляет 1,7 — 2,2 МПа. Следует отметить, что по данным авторов, чем ниже температура окружающей среды, тем выше прочностные показатели и ниже интенсивность процесса твердения. В интервале температур 22 — 75 0С изменение исследуемых параметров незначительное. При плотности ниже 1580 кг/м3 (за счет увеличения водосодержания) резко понижается седиментационная устойчивость раствора. Согласно исследованиям [33] свойства сформированного камня соответствуют требованиям ТУ 21-20-36 — 78 на облегченные тампонажные растворы. Однако предложенная рецептура имеет низкую скорость структурообразования. Так, при пониженных температурах, например при 0 0С, конец схватывания наступает через одни сутки и более. Этот факт должен отрицательно сказаться на качестве цементирования, поскольку процессы твердения замедлены во времени и в формирование поровой структуры седиментационные явления постоянно будет вносить деструктивный вклад. Также в качестве облегчающей добавки рекомендуются мел, асбест, отходы хризотил-асбеста, отходы полиэтилена, саморассыпающийся шлак, асбестоцементная пыль, перлит, лигнин и его модификации, трепел, молотый тростник, кожевенная пыль, пенопластовая крошка, резиновая крошка и др. Вкратце рассмотрим их характеристику и особенности влияния на свойства тампонажного раствора и формирующегося из него камня. Основной фактор, приводящий к снижению плотности тампонажного раствора, — это повышенное водосодержание, что является причиной интенсификации седиментационных явлений. Учитывая это, В. С. Пупков, В. П. Гнездов и др. [34-37] разработали рецептуру седиментационно устойчивого тампонажного раствора. Повышение седиментационной устойчивости обеспечивалось вводом добавок, структурирующих воду затворения. Структурирование воды затворения осуществлялось увеличением заряда поверхности системы водорастворимыми поверхностно-активными веществами. В качестве минеральной добавки, обладающей определенным зарядом по отношению к воде затворения, предложен мел. Повышение седиментационной устойчивости позволило авторам увеличить водосодержание и тем самым понизить плотность тампонажного раствора до 1560 кг/м3. Прочностные показатели камня в этом случае превышали требования технических условий на облегченные тампонажные растворы. Объясняется это образованием в процессе твердения гидрокарбоалюминатов кальция. Исследований при низких температурах не проводилось. Цементомеловая смесь при соотношении цемента и мела 6:4 при водосмесевом отношении 0,8 затворяется на водном растворе хлорида натрия и карбоната натрия. Содержание первого 12 — 16%, второго 2 — 3% от массы жидкости затворения. При этом обеспечиваются следующие показатели: плотность 1500 — 1650 кг/м3, водоотделение составляет при зенитном угле 00 до 1,8%, при зенитном угле 200 от 0,1 до 2,2 %, при зенитном угле 45° от 0,5 до 3,1 %. Предел прочности в возрасте двух суток при температуре окружающей среды 30, 50, 70 0С, составляет соответственно: 0,8-1,2; 0,98-1,4; 1,01-1,53 МПа. Для увеличения прочности цементомелового камня с одновременным улучшением реологических характеристик тампонажного раствора дополнительно вводят саморассыпающийся шлак (20-40%) производства феррохрома, в котором преимущественное содержание оксида кальция до 50 %. В этом случае достигается снижение плотности до 1400-1540 кг/м3; сроки схватывания — начало 12 ч 10 мин, конец 13 ч 55 мин; предел прочности на изгиб в двухсуточном возрасте твердения при температуре 22 °С от 0,41 до 1,6 МПа [38]. Находят применение и асбестосодержащие добавки. Например, А. П. Тарнавским и др. [39] предлагается для повышения трещиностойкости цементного камня, повышения адгезионных свойств, устранения усадочных деформаций вводить вместо глины асбестовое волокно в количестве 1,75-3,5%. Составляющие молекулы асбеста связаны в одном направлении достаточно плотно, в другом — весьма слабо. Вследствие этого асбест легко расщепляется на тончайшие гибкие и эластичные волокна. Пучки волокон содержат большое число микрощелей и микротрещин, обладающих большой адсорбционной поверхностью, и адсорбируют главным образом гидратные новообразования, возникающие при взаимодействии составляющих цемента с жидкостью затворения. В результате они способствуют образованию волокнистой структуры и в конечном итоге повышению адгезии к металлу труб и породам, слагающим стенки скважин, а также уменьшению усадочных деформаций в процессе твердения тампонажного раствора. Плотность раствора снижается до 1540 — 1600 кг/м3. Предел прочности на сжатие сформированного в течение двух суток при температуре окружающей среды 22-75 0С изменяется соответственно от 0,30 др 0,94 МПа. Усадочные деформации полностью не исключаются и находятся в пределах 0,6-0,9 %. Понижение плотности тампонажного раствора, как в предыдущих случаях, обеспечивается за счет повышения водосмесевого отношения и за счет небольшой насыпной массы асбеста. Оптимальная концентрация асбеста предлагается 7-9 % по массе. По физико-механическим свойствам облегченный асбестом тампонажный раствор соответствует ТУ 21-20-36-78, что позволило авторам рекомендовать его в качестве облегчающей добавки. Следует отметить, что в качестве вяжущего авторы использовали белитоалюминатный цемент (БАЦ), который из-за своего минералогического состава обладает высокой скоростью структурообразования [40-45], что обеспечивает высокие прочностные свойства формирующегося камня. Однако и в этом случае асбестовое волокно не участвует в процессах структурообразования. Кроме того, американскими исследователями установлено, что асбестовое волокно способно аккумулироваться в организме человека и быть источником раковых заболеваний, что является серьезным аргументом против его применения. В развитие этих работ Е. П. Катеневым [46] рекомендуется использование вместо асбеста хризотил-асбеста совместно с отходами полиэтилена. Отходы хризотил-асбеста коротковолнистого марки К-6-30 вводятся в количестве 8 —18 %. Используются отходы полиэтилена низкого давления марки 270-76, получаемого газофазным методом, в количестве 15—23 %. Кроме этого вводится добавочно поверхностно-активное вещество (ПАВ). По мнению авторов, отходы полиэтилена позволяют при сравнительно небольшом водотвердом отношении максимально снизить плотность тампонажной смеси, сохраняя при этом прочностные показатели цементного камня на уровне предъявляемых .к ним требований. Введение в жидкость затворения поверхностно-активного вещества приводит к снижению поверхностного натяжения на границе раздела фаз и способствует смачиванию полиэтилена. Кроме того, пленка из ПАВ препятствует агрегации частиц полиэтилена, чисто механически не позволяет приближаться им одна к другой, поэтому они легко распределяются между частицами цемента и асбеста, образуя при этом стабильную систему. Молекулы ПАВ самопроизвольно соединяются в мицеллы, в результате поглощается и удерживается большое количество воды, что сказывается на величине водоотстоя, который с увеличением ПАВ уменьшается. Оптимальная добавка ПАВ выбрана исходя из зависимости величины поверхностного натяжения жидкости затворения и водоотстоя тампонажного раствора от содержания ПАВ в растворе и составляет 0,24-0,54 % жидкости затворения. Следует указать, что предлагаемые реагенты и добавки рекомендованы к шлаковым цементам (ШПЦС-120). Параметры получаемых растворов и формирующегося из них камня следующие: плотность раствора 1250-1400 кг/м3, водоотделение 1-5,5%, предел прочности в двухсуточном возрасте 1,8-2,6 МПа при температуре твердения 140 °С и 3,2-4,2 МПа при температуре твердения 200 °С. Для портландцементных растворов М. Б. Хадыровым [47] также рекомендуется хризотил-асбестовый материал — изол, являющийся отходом производства асбеста. Дополнительным достоинством предлагаемой добавки является образование в поровой структуре проницаемых пор, а на поверхности «принимающих» коллекторов малопроницаемого кольматационного экрана. Рекомендуемый состав позволяет получать плотность тампонажного раствора 1520-1760 кг/м3 с пределом прочности на изгиб в двухсуточном возрасте 1,6-3,0 МПа. Помимо перечисленных асбестосодержащих материалов рекомендуют также и асбоцементную пыль, являющуюся отходом производства асбоцементных труб при их механической обработке [48]. По своему составу она преимущественно представлена также хризотил-асбестом. Асбоцементная пыль является неутилизированным многотоннажным отходом цементно-шиферных комбинатов. При их использовании плотность тампонажного раствора составляет 1630-1650 кг/м3. Предел прочности на изгиб в двухсуточном возрасте 1,8-3,0 МПа (температура окружающей среды 75 0С). Для -«горячих» скважин многими исследователями (В. А. Яковлевым, А. А. Клюсовым, А. И. Булатовым, Н. А. Мариампольским, И. Г. Верещака и др.) разработаны и рекомендованы к внедрению облегченные тампонажные растворы, в которых облегчающей добавкой является перлит и его разновидности, а также композиции на его основе — вспученный перлит [49], перлитовый легковес [50], перлитовый легковес в сочетании со шламом карналлитового хлоратора [51], фильтрованный перлит [52], фильтрованный перлит совместно с глинистым минералом [53], фильтроперлит [54], фильтроперлит совместно с меламинформальдегидной смолой [55], вспученный перлитовый песок совместно с трепелом [56] и др. В отличие от известных материалов, свойства которых изложены выше, перлитовый легковес представляет собой замкнутые стеклянные гранулы, полученные путем вспучивания вулканической породы «лунообразной» структуры при температуре 800 0С. Он соответствует марке 100 по ГОСТ 10832-73. Отличительной особенностью фильтроперлита является то, что он практически не всплывает в воде. Открытая структура зерен и их гранулы — минералогический состав обеспечивает хорошую смачиваемость и диспергирование фильтроперлита в цементном растворе, что в свою очередь способствует стабильности облегченных фильтроперлитоцементных растворов. Равномерно распределяясь в цементном растворе, зерна фильтроперлита образуют большую и развитую фильтрующую поверхность, которая задерживает частицы твердой фазы, предотвращая соприкосновение и оседание их под действием силы тяжести или перепада давлений. Седиментационная устойчивость тампонажного раствора резко повышается. Снижается величина контракционного эффекта. Последний вывод сомнителен. Анализ результатов исследований, представленных в перечисленных работах, показывает, что введение перлита и его разновидностей в состав тампонажных растворов позволяет получать облегченные и легкие тампонажные растворы плотностью от 1210 до 1700 кг/м3. Однако даже при повышенной температуре твердения 75 0С и выше прочность сформированного камня незначительна (в двухдневном возрасте от 0,6 до 2,96 МПа). Анализ физико-механических процессов, протекающих при твердении тампонажных растворов на минеральной основе, позволяет подвергнуть сомнению возможность образования гидратных фаз при взаимодействии цемент - перлит в условиях низких положительных и отрицательных температур твердения. Кроме того, прочность оболочек перлита сильно зависит от дисперсности перлитового песка. Установлено, что перлитовый песок даже самой мелкой фракции (от 0,16 до 1,25 мм) и пудры (до 0,16 мм) способен выдерживать давления до 5,9 МПа. А чем выше дисперсность, тем больше вклад перлитовой оболочки в снижение плотности. Для крепления обсадных колонн в интервалах повышенных и высоких температур (75 0С и выше) в сочетании с различными видами вяжущих (ШПЦС, портландцементами для горячих скважин и т. д.) группой авторов под руководством А. И. Булатова рекомендовано использование шлифовальной пыли и композиции шлифовальной пыли совместно с фильтрованным перлитом. Шлифовальная пыль является отходом шлифовальных асбофрикционных изделий (ТУ 38314001—79) и представляет собой сыпучий порошок, получаемый в результате механической (абразивной) обработки асбофрикционных изделий (тормозных колодок автомашин, железнодорожных вагонов, тракторов и т; п.). Фильтрованный перлит получают из вулканических пород перлитов путем высокотемпературного отжига рационально подобранной по гранулометрическому составу сырьевой смеси, в результате чего из перлита выделяется кристаллизационная вода и обжигаемые частицы увеличиваются в объеме. Фильтрованный перлит — продукт, улавливающийся второй ступенью осаждения (рукавные фильтры). Поскольку в составе имеется значительное содержание кремнезема, данный состав эффективен при повышенных температурах. В первом случае получают тампонажный раствор плотностью до 1460 кг/м3 при прочности 2,3 МПа в двухсуточном возрасте и температуре 120 0С; во втором — плотность тампонажного раствора может быть понижена до 1210 кг/м3 при двухсуточной прочности от 0,91 до 1,43 МПа в температурном диапазоне 75 — 200 0С, когда в качестве вяжущего используется ШПЦС-120, а если портландцемент в том же интервале температур, то — от 1,73 до 2,03 МПа. При этом необходимо отметить, что при нормальных температурах твердения 22 0С формирование структуры протекает довольно длительное время (прочностные показатели камня можно определять только после семи суток твердения). Достаточно широкое применение находят такие добавки, как трепел [57], костра, конопля или лен [58], молотый тростник [59], кожевенная пыль [60], резиновая и пенопластовая крошка [61, 62], минеральный органический порошок [63], лигнин [64], шлам-лигнин [65], различные смолы — сополимер стирола и дивинил бензола (смола КУ-2) [66], фенолформальдегидная смола марки TС КГС 75-90 [67], продукт распыления карбамидоформальде-гидной смолы [68], стирол-бутадиеновый латекс [69], вермикулит, его разновидности и сочетания с другими реагентами [70-73], вспученный аргиллит [74]. Краткая характеристика предлагаемых добавок, за исключением известных, приводится ниже: - трепел рекомендуется вводить в количестве 15 — 25 % от всего раствора; - костра, конопля или лен являются отходом пенькопроизводства, представлены в основном целлюлозой, пентазаном, лигнином. Их содержание рекомендуется 10 —20%; - молотый тростник является бросовым отходом целлюлозно-бумажной промышленности, соответствует ТУ 81-04-330—74. По составу представлен целлюлозой, пентазаном, лигнином, минеральной золой, соединениями кремния. Вводится 10 — 40% от веса сухой смеси. Предлагается использовать при температурах более 150 0С; - кожевенная пыль является отходом кожевенного и мехового производства. Рекомендуется вводить в пределах 2 —10 %; , пенопластовая крошка представляет собой жесткий каркас, внутри которого защемлен воздух. Плотность крошки 60 кг/м3. Мелкопористая структура пенопластовых крошек в сочетании с жесткостью каркаса предотвращает попадание воды внутрь частицы и обеспечивает надежность облегчающего эффекта. Понижение плотности достигается за счет водонепроницаемости пенопластовой крошки, низкой ее плотности, увеличения объема тампонажного раствора. Рекомендуется использовать крошку размером 1,5 —2 мм в количестве 2—3 % от всей твердой фазы; - резиновая крошка вулканизированных отходов. Наличие резиновой крошки предотвращает образование суффозионных каналов, повышает седиментационную устойчивость раствора, улучшает сцепление цементного камня с глинистыми и соленосными отложениями, что повышает надежность герметизационного комплекса заполненного пространства скважин. Вводится в количестве 5,5—15 % от массы твердой фазы; - минеральный органический порошок (МОП) является отходом переработки водоросли ламинарии на альгинат натрия при фильтрации альгинатных растворов. Способствует увеличению стабильности растворов за счет волокнистой упругой поверхности частиц МОП. Наличие в органической части МОП камеди и слизи уменьшает водоотстой, а наличие клетчатки увеличивает прочность контакта цементного камня с металлом и повышает прочность первого. Добавляют в тампонажные растворы в количестве 5—7 % от массы твердой фазы. Их плотность 1080-1990 кг/м3, объемная масса 200-231 кг/м3 ; - лигнин, шлам-лигнин, гидролизный лигнин — отходы дерево-обрабатывающей и целлюлозной промышленности. Их содержание рекомендуется от 5 до 15 % [63, 64, 75]. В [76] гидролизный лигнин предлагают модифицировать путем его кипячения в водном растворе хлоридных возгонов с последующей сушкой. Хлоридные возгоны — это отходы производства металлического магния из карналлита на стадии рафинирования электролита. Содержание модифицированного гидролизного лигнина рекомендовано от 10 до 20 % от массы тампонажного раствора. По своему составу лигнин содержит органическую и неорганическую части. Органическая часть представлена собственно лигнином (до 60 %), трудногидролизуемыми полисахаридами (15—20 %), редуцирующими веществами (1,5 — 3 %). Неорганическая часть — серной кислотой, золой и др. Содержание гидролизного лигнина рекомендуется в количестве 10-20 %, а силиката натрия 2—7 % [77]. Плотность тампонажного раствора при данных количествах вводимых добавок достигает 1300 — 1400 кг/м3 при водосодержании (В/Т) 0,9-1,4. При этом прочностные показатели формирующегося камня, по результатам лабораторных исследований, соответствовали техническим условиям на облегченные растворы. К сожалению, следует отметить, что приведенные результаты соответствуют температурам 20 и 70 0С. Для низких температур, учитывая эти исследования, следует ожидать более худших результатов. По-видимому, это вызвано тем, что лигнин, так же как и глинопорошок, является инертным компонентом, не участвует в процессах формирования структуры камня; - аминолигнин — модифицированный отход целлюлозной промышленности, гидрофильное высокомолекулярное порошкообразное вещество. Получают путем взаимодействия галогенлигнина с аммиаком с последующим восстановлением нитролигнина водородом и взаимодействием гидролизного лигнина с парами водного раствора аммиака. В этом случае положительные свойства облегченной тампонажной смеси обусловлены высокой желатинообразующей способностью аминолигнина с образованием более прочных связей, в частности, с основным продуктом гидратации портландцемента — гидрооксидом кальция. Рекомендуется его введение 5-40 % от массы твердой фазы [78]; - вермикулит представляет собой продукт вспучивания смешаннослойного материала — гидрослюды. Полученный после вспучивания материал обладает исключительно высокими тепло- и изоляционными свойствами. Вермикулит в отличие от перлита, по сведениям автора, выдерживает практически «любое» давление за счет минимального расстояния между слоями слюды, приближающегося к радиусу действия ван-дер-ваальсовых сил. Кроме того, облегченный «теплоизоляционный» раствор не только улучшает термодинамические условия эксплуатации скважин, но и способствует закупориванию проницаемого коллектора, предотвращая поглощение и гидроразрыв пластов. Улучшаются реологические свойства раствора в условиях повышенных температур за счет смазывающих свойств добавки вермикулита, которая в то же время не препятствует схватыванию раствора в интервале многолетнемерзлых пород. Рекомендуемое их содержание 8-17 % от массы раствора [65, 66, 76, 77]. Преимуществом этих материалов, по мнению А. А. Клюсова [78-80], является: - возможность процессов физико-химического взаимодействия добавок с компонентами вяжущего с образованием новых гидратных фаз (преимущественно расширяющихся), упрочняющих структуру композиционного материала; - возможность закупоривания трещиноватых и пористых пород; - низкая теплопроводность 0,3 Вт/м-К; - высокая термостойкость; - высокая релаксирующая способность за счет «защемленного» воздуха, что способствует обеспечению морозостойкости, трещинностойкости в случае использования вяжущих, чувствительных к изменению температурно-влажностных условий; - высокая сжимаемость тампонажного раствора, армированного вермикулитом. Отмеченная автором высокая сжимаемость вермикулитоцеметного раствора вместе с его положительными факторами, такими как релаксация давлений при замерзании воды в межтрубном пространстве, обеспечение плавной работы насосов и т. д., снижает их эффективность по понижению плотности раствора в призабойной части скважины. В работе [81] отмечается, что при использовании вермикулитоцементных растворов зачастую возникали осложнения, связанные с невозможностью проведения процесса его продавливания в затрубное пространство после кратковременной остановки циркуляции. Проведенные экспериментальные исследования показали, что причиной этого является расслоение и образование вермикулитовых пробок, водяных поясов, нерегулируемое сокращение сроков схватывания. На основе этого авторами делается вывод, что вермикулитоцементные растворы данного состава и технология их приготовления не могут быть рекомендованы для крепления скважин. вспученный аргиллит получают термообработкой аргиллитов. Его плотность составляет 950 кг/м3. Рекомендуется вводить в количестве 25-70 |
Похожие:
 | Кандидат юридических наук, доцент кафедры гражданского процесса и социальных отраслей права юридического факультета Российского государственного... | | Кандидат юридических наук, доцент кафедры гражданского процесса и социальных отраслей права юридического факультета Российского государственного... |
| Проект строительства наклонно направленной добывающей газовой скважины глубиной 3150 м на Ен-Яхинском месторождении | | Геология и геохимия нефти и газа: Электронное Учебное пособие (для вузов) / Под ред. А. Н. Резникова. – Ростов-на-Дону: юфу, 2008.... |
| Физико-химические процессы твердения, работа в скважине и коррозия цементного камня: Учеб пособие для вузов. –Тюмень: Изд-во «Нефтегазовый... | | Методические рекомендации предназначены для студентов всех форм обучения по специальности 240134 Переработка нефти и газа и являются... |
| Далее – Методические указания устанавливают единые требования к расчету стоимости услуг, оказываемых спецтехникой и автомобильным... | | Далее – Методические указания устанавливают единые требования к расчету стоимости услуг, оказываемых спецтехникой и автомобильным... |
| Разработаны: Институтом по проектированию объектов нефти и газа зао «Инжиниринговая компания «КазГипроНефтеТранс», Самарским филиалом... | | «Акционерная компания по транспорту нефти «Транснефть» (оао «ак «Транснефть»), обществом с ограниченной ответственностью «Научно-исследовательский... |