Цемент тампонажный

Тампонажный цемент - это разновидность портландце­мента с повышенными требованиями к минералогическому составу клинкера.

Используется при разведочном и эксплуатационном бурении неф­тяных и газовых скважин, и при капитальном ремонте скважин (КРС) для цементи­рования нефтяных скважин, целью которого является изолиро­вание продуктивных нефтеносных слоев от водоносных, а также отделение нефтеносных слоев друг от друга при многопластовых залежах нефти.

Цементирование (там­понирование) - важная операция техпроцесса бурения; качество цементирования часто определяет эффективность эксплуатации скважины, а при разведочном бурении - возможность правильной оцен­ки запасов продуктивных нефтеносных слоев в исследуемом месторождении.

Замес и заливку раствора производя механическим способом, подача в скважину осуществляется насосной установкой.

Операция цементирования скважины:

• опускание в скважину ко­лонны обсадных стальных труб разного диаметра;
• заполнение образовавшегося кольцевого пространство между стенками скважины и наружным диаметром труб быстротвердеющим цементным раствором.

Методы цементирования скважин:

• пря­мое цементирование,
• монтажная заливка,
• цементирова­ние хвоста,
• цементирование через заливочные трубы при ремонтных работах,
• обратное цементирование,
• мно­гоступенчатая заливка и тд.

Многообразие методов связано с особенностями место­рождений, характером расположения про­дуктивных и водоносных слоев, структуры коллекторов и др.

Прямое цементирование - наиболее распространенный метод:

• колонну стальных труб опускают на рассчи­танную глубину и подвешивают;
• через колонну подается глинистый раствор для промывки сква­жин перед цементированием;
• спуск колонны после промывки на нижнюю пробку с цент­ральным отверстием, закрытие стеклянной пластиной. Пробка плотно прилегает к стенкам труб;
• на опу­щенную пробку в колонну быстро накачивается с по­мощью цементировочных агрегатов цементный раствор в заранее рассчитанном объеме, после чего туда опуска­ют верхнюю глухую пробку;
• на верхнюю проб­ку накачивается под большим давлением глинистый раствор, в результате чего цементный раствор, заклю­ченный между нижней и верхней пробкой, движется вниз;
• когда нижняя пробка достигает заранее установ­ленного на обсадных трубах упорного кольца, повышается давление, и стекло нижней пробки раз­давливается;
• цементный раствор через образовавшее­ся отверстие проходит в забой и в затрубное кольцевое пространство, выдавливая находивший­ся в скважине после бурения глинистый раствор;
• когда верхняя пробка садится на нижнюю, что заметно по резкому повышению давления па манометре (устье скважины), движение глинистого раствора приостанав­ливается.
• после проверки высоты подъема цементного раст­вора в затрубном пространстве скважину оставляют в покое примерно на 18 час ( реже 48 час) до полного затверде­вания цемента. Зазор между стенкой скважины и на­ружным диаметром обсадных труб, заполненный це­ментным раствором, составляет примерно 15-50 мм;
• по истечении установленного срока твердения це­ментного раствора обсадную колонну испытывают на герметичность путем «опрессовки», при этом допускает­ся снижение давления на 0,5 МПа за 30 мин;

После окончания этих операций и приобретения цементом не­обходимой прочности вскрывают продуктивный нефте­носный слой путем дальнейшего пробуривания цемент­ного камня на забое, либо пробивают отверстия, по ко­торым в скважину поступает нефть. Это осуществляет­ся с помощью пороховых либо торпедных перфораторов через стенки труб и прилегающий к ним цементный ка­мень. В результате перфорации в цементном камне об­разуются отверстия, по которым в колонну поступает нефть после понижения уровня жидкости в скважине при давлении ниже пластового давления нефти.

Особенности процесса цементирования:

• Глинистый раствор отрицательно влияет на твердение цемента при их смешивании, ког­да цементный раствор проходит в затрубное простран­ство.
• Перфорация цементного камня в скважине также влияет на его прочность, снижая ее в зависимости от многих факторов, в тч от вида перфорации пулевой или торпедной.
• Скорость подъема цементного раствора в затрубном пространстве при це­ментировании должна составлять не менее 1,5 м/сек, что способствует лучшей очистке сте­нок скважины от глинистой корки и образованию более стойкого цементного кольца.
• Нужно точно контролировать объемы цементного раствора и продавочной жидкости, закачиваемых в колонну, и изменение давления раствора. Экзотермия цемента способствует повышению этого давле­ния.

Условия службы тампонажного цемента в скважинах:

Осмотр и точное обследование состояния скважины невозможны, что затрудняет изуче­ние цемента в условиях службы;

По мере углубления нефтяной скважины в ней повышаются температура и давление, что влияет на процесс цементи­рования и качество получаемого цементного камня. Повышение температуры с глубиной бурения неодинаково в разных нефтяных месторожде­ниях. При измерении тем­пературы в ряде скважин, значение геотер­мического градиента составило 16,5-18,3 м/град. Диапазон колебаний объясняется различной силой притока верхних и нижних вод, причем температура нефтяных пластов всегда ниже темпе­ратуры водоносных. В США на некоторых скважинах при глубине примерно 7 тыс м температура на забое до­ходила до 473 К при давлении 12,5 МПа.

В скважине создается высокое давление в результа­те напора воды, газов, нефти, которое при повышенной температуре влияет на сроки схватывания цементного раствора и формирование цементного камня. Условия для твердения цемента в скважине сложные. Коллекторы имеют различную пори­стость, трещинноватость и кавернозность. Избы­точное давление, испытываемое пластом в результате гидростатического давления, создаваемого столбом промывочной жидкости, увеличивает естественные тре­щины в породе и может привести к уходу глинистого, а затем и цементного раствора при цементировании им скважины. При гидравли­ческом разрыве пласта (ГРП), переток пластовых вод с верхних па нижние водоносные горизонты - обычное явление. Бывают случаи обезвоживания цементного раствора из-за отсоса воды пористыми пластами породы.

Пластовые воды на многих месторождениях имеют высокую концентрацию солей. Хлоркальциевые, хлормагниевые, сульфатно-натриевые, сульфатно-сульфидные воды оказывают коррозионное воздействие на цементный камень, осо­бенно при повышенных температурах и давлении, когда возможна существенная водопроницаемость це­ментного кольца.

Еще более влияет на условия службы в газовых скважинах происходящая после окончания цементиро­вания диффузия газа из пласта в скважину, часто вызывающая выбросы и фонтаны.

1^е опыты крепления обсадных труб для изоля­ции нефтяного пласта от водоносного путем цементиро­вания портландцементным раствором были выполнены в 1907-1908 гг и дали положительные результаты в сравнительно неглубоких скважинах.

Портландцемент того времени характеризовался сравнительно медленным схватыванием, низкой прочностью и грубым помолом, поэтому приходилось долго «выжидать», пока цемент­ный камень приобретет необходимую прочность. Для ускорения процесса тверде­ния цемента использовался более тонкий помол цемента.

Важнейшие требования к качеству тампонажного цемента

Цементный раствор (шлам) должен обладать достаточной текучестью, обеспечивающей возможность быстрого его закачивания в колонну труб, а затем продавливания в затрубное пространство:

Раствор должен оставаться подвижным определенное время, пока идет цементирование. Это достигается при ВЩ - 0,4-0,5. В зависимости от температуры скважины дифференци­руются сроки схватывания цемента.

Тампонажный цемент должен характеризоваться необходимой прочностью в первые 2 суток тверде­ния. Прочность затвердевшего цементного раствора в краткие сроки твердения должна обеспечить закрепле­ние колонны в стволе скважины, необходимую ее устой­чивость при разбуривании и перфорации, эффективную изоляцию от проницаемых пород. Прочность должна составлять не ме­нее 2,3 МПа и приближаться к 3,5 МПа при коэффи­циенте запаса прочности в 2-5.

Вязкость цементного раствора, характеризующая его текучесть. Цемент дол­жен обеспечить получение раствора хорошей текучести и оставаться подвижным в течение времени, необходи­мого для его закачки и вытеснения в затрубное прост­ранство при температуре и давлении, соответствующих дайной глубине. После закачки в скважину цементный раствор должен в кратчайший срок приобретать соот­ветствующую прочность и сохранять ее .

Цементный камень должен быть стоек по отношению к агрессивным пластовым водам на глубоких горизон­тах и водонепроницаемым, чтобы защитить продуктив­ные нефтяные пласты от пластовых вод и обсадную ко­лонну от проникновения корродирующих жидкостей, со­держащих большое количество различных солей, а за­частую и сероводород. В начальный период твердения цементный камень должен быть достаточно пластич­ным, чтобы при перфорации скважин в нем не образо­вались трещины, и вместе с тем достаточно долговеч­ным в условиях, когда ему приходится противостоять воздействию не только агрессивных пластовых вод, но и высокой температуры и давления. Необходимо учиты­вать и водоотдачу, которая вполне возможна при нали­чии проницаемых пластов, отсасывающих часть воды из цементного раствора. Это заметно снижает водоцементиое отношение, что влияет на вязкость и сроки схватывания цемента. Кроме того, серьезное значение имеет газопроницаемость цементного камня, особенно в газовых скважинах.

Цемент 1^й разновидности не может удовлетво­рять всем требованиям, связанным с различными усло­виями его работы в скважинах, поэтому цементная промышленность выпускает 2 основных ис­ходных вида тампонажного цемента:

Цемент, пред­назначенный для цементирования «холодных» скважин до 40^оС(295К);

Цемент, пред­назначенный для цементирования «горячих» скважин свыше 40^оС(348 К).

Требования к цементам для «холодных» и «горячих» скважин высоки. Стандарт регламентирует же­сткие пределы для сроков схватывания: начало не ра­нее 2 ч для применения цементов в «холодных» скважи­нах и не ранее 1 ч 45 мин для «горячих» скважин.

Ко­нец схватывания после затворения должен наступать в цементе для «холодных» скважин не позднее 10 час и в цементе для «горячих» скважин - не позднее 5 час. Это время необходимо для того, чтобы успеть закачать це­ментный раствор в скважину и продавить его на нуж­ную высоту в затрубное пространство.

Предел прочно­сти при изгибе призм 4X4X16 см из цементного теста с В/Ц=0,5 должен составлять через 2 суток - при холодных скважинах-2,7 МПа, при горячих через 1 сутки - 3,5 МПа. Цементное тесто должно обладать такой растекаемостью, при которой расплыв образца в виде конуса из этого теста был бы не менее 180 мм.

К тампонажным цементам предъявляются такие же требования в отношении допустимого содержания SO₃ и MgO, а также по тонкости помола и равномерности изменения объема, что и к портландцементу.

К клинке­ру цемента для «холодных» скважин при измельчении можно добавлять: гранулированный доменный шлак (не более 20%), активные минеральные добавки (не более 12% массы цемента) или инертные добавки (не более 10%), кварцевый песок или кристаллический известняк, в тч должен содержать повышенное количество трехкальциевого алюмината 10 - 13%, алита - до 50% для обеспечения нужной скорости схватывания раствора и повышенного уровня прочности его на ранних сроках твердения, а также повышенное содержание трехкальциевого силиката 57 - 60% в сочетании с пониженным содержанием С_зА 4 - 7%, дози­ровка гипса повышенная 3-3,5% so₃, что обеспечивает требуемую скорость схватывания, высокую активность цемента на ранних сроках твердения.

Тампонажный цемент для «холодных» скважин изготавливают главным образом путем тонкого помола (до удельной поверхности 3000-3500 cм² / 1 г клинкера).

Качественный тампонажный цемент должен быть так тонко помелен, чтобы во время просеивания его через сито № 008 не меньше 25% веса пробы проходило.

В целях замедления схватывания тампонажный це­мент для «горячих» скважин должен быть преимущест­венно низкоалюминатным. Он предназначается для службы при температуре примерно 348 К - Выпускают­ся тампонажные цементы, которые содержат 3-4% С₃А н пригодны как для «холодных», так для «горячих» скважин. Однако эти стандартизованные цементы не всегда позволяют обеспечить качественное цементиро­вание нефтяных и газовых Скважин, пробуриваемых зачастую в разнообразных сложных условиях. Так, на­пример, часто в глубоких и сверхглубоких скважинах температура на забое бывает выше 348 К, доходит и до 473 К при давлении до 70 МПа.

В скважинах многих нефтяных районов пластовые воды оказывают на цемент сильное корродирующее действие, цементный раствор поглощается трещинова­тыми или дренированными пластами. Для цементирова­ния скважины в таких условиях необходимы цементные растворы с плотностью, превышающей плотность про­мывочного глинистого раствора.

В других случаях тре­буются, наоборот, цементные растворы с пониженной плотностью для того, чтобы поднять цементный раствор па большую высоту. Специфические условия создаются в газовых скважинах, в которых наблюдается прорыв газа через цементное кольцо и резьбовое соединение об­садной трубы п др.

Для службы в таких специфических условиях разработаны специальные виды тампонажных цементов, эффективность которых подтверждена на практике (ГОСТ 1581-96), но производство ограничено.