Приготовление цементных растворов

Небольшие объемы раствора готовят вручную или с по­мощью буровых насосов. Для получения больших количеств раствора применяют цементно-смесительные машины со смеси­тельными устройствами вакуумно-гидравлического типа. При бурении нефтяных и газовых скважин используют цементно-сме­сительные машины СМ-10, 2СМН-20, СПМ-20, 2АС-20 с бунке­ром вместимостью 10 и 20 т цемента.

Для разведочного бурения больше подходит цементно-смеси-тельная машина СМ-4М, предназначенная для транспортирова­ния сухого цемента на буровую установку и механизированного приготовления цементного раствора. Объем бункера 3 т цемен­та, производительность машины 6—10 л/с готового раствора. Всеоборудование смонтировано на шасси автомобиля ЗИЛ-131А высокой проходимости. Если буровые установки укомплектованы глиномешалками, последние также могут быть использованы для механического приготовления цементных рас­творов.

Необходимое количество сухого цемента q_цв кг на 1 м³ це­ментного раствора с водоцементным отношением В/Ц вычисля­ется по следующей формуле:

q _ц=p_цр_в/[р_в+(В/Ц)p_ц]. (XII.1)

Необходимый объем воды в м³ на 1 м³ цементного раствора

υ_B = q (В/Ц)/p_B. (ХII.2)

Плотность цементного раствора в кг/м³

или

Здесь р_цр, р_ц , р_в — плотность соответственно цементного рас­твора, цемента и воды, кг/м³.

Общее количество сухого цемента Q_ц в кг, требующееся для приготовления цементного раствора в объеме V_цр

Общий объем воды V_в в м³ для приготовления цементного раствора

_Vв= υ _вVцр . (XII.6)

При заданной плотности цементного раствора р_ц водоцемент-жое отношение

При сложной рецептуре цементного раствора, включающей дополнительно компоненты твердой и жидкой фазы, расчет ко­личества компонентов при заданном составе сухой смеси, соста­ве жидкости затворения и водоцементном (водотвердом) отно­шении выполняется следующим образом.

Требуемое количество сухой смеси в кг на 1 м³ цементного раствора

Здесь

где а ₁, а₂,..., а_п — массовые доли компонентов сухой смеси; р₁, р₂,..., р_n — плотности компонентов.

где b ₁, b ₂ ,..., b_j — массовые доли компонентов жидкости затво­рения; р ' ₁, р ' ₂,..., р '_i — плотности компонентов жидкости затво­рения.

Требуемое количество компонентов сухой смеси (в кг) на 1 м³ раствора

Требуемое количество жидкости затворения {в кг) на 1 м³ раствора

υ _ж = q _с(B/T) (XII.12).

Требуемое количество компонентов жидкости затворения (в кг)

Плотность тампонажного раствора (в кг/м³)

p_тр = q_с+υ_ж (ХII.14)

По приведенным формулам вычисляют расход компонентов и при приготовлении других тампонажных составов, кроме син­тетических смол.

§ 2. ГЕЛЬЦЕМЕНТНЫЕ РАСТВОРЫ

Гельцементы представляют собой цементные растворы с до­бавками глины, обычно бентонитовой. Содержание бентонита может доходить до 20% от массы цемента, менее качественные глины могут вводиться в большем количестве. Добавка глины загущает цементный раствор, дает возможность значительно по­высить водоцементное отношение (до 1) и снизить плотность. При этом удлиняются сроки схватывания, повышается прони­цаемость, снижается устойчивость цементного камня.

Гельцементные растворы применяют чаще всего для борьбы с поглощениями.

Они обладают ярко выраженной структурной вязкостью, минимальное значение которой 1,0—2 Па•с. С ростом темпера­туры наблюдается тенденция к повышению вязкости.

Свойства этих растворов дополнительно регулируются реа­гентами.

Глину в гельцемент вводят в виде порошка, однако в этом случае она плохо размешивается. Кроме того, с течением времени смесь очень быстро загустевает (до непрокачиваемости), так как непрерывно происходит процесс распускания глины в жидкой фазе. Свойства быстросхватывающихся гельцементов легче регулируются, если смесь готовится на глинистом раство­ре, в котором глинистая фаза распустилась полностью.

§ 3. БЫСТРОСХВАТЫВАЮЩИЕСЯ СМЕСИ (БСС) И СУХИЕ СОСТАВЫ

Основной активный компонент быстросхватывающихся сме­сей— портландцемент. БСС применяют главным образом для борьбы с поглощениями и установки цементных мостов в сква­жине. Они могут быть получены следующим образом: 1) умень­шением водотвердого отношения с одновременным введением ускорителя схватывания; 2) введением активных добавок: гип­са, алебастра, гипсоглиноземистого и глиноземистого цементов и др.; 3) комбинацией перечисленных выше способов.

В зависимости от соотношения твердой фазы, воды и уско­рителя схватывания консистенция БСС изменяется в широких пределах (вплоть до непрокачиваемости). Для повышения по­движности, с тем чтобы БСС можно было доставить в зону по­глощения закачкой через бурильные трубы, добавляют пласти­фикаторы.

Состав, консистенция и сроки схватывания БСС во многом определяются способом ее приготовления и доставки в скважи­ну. Консистенция БСС, приготовляемых на поверхности и за­качиваемых по бурильным трубам, до начала схватывания мо­жет быть такой, как у обычных цементных растворов. При до­ставке БСС в колонковых трубах, они могут иметь консистен­цию нерастекающейся пасты. При приготовлении БСС в сква­жине в специальных тампонажных устройствах или раздельной закачкой исходных компонентов можно получить мгновенно схватывающуюся смесь. Соответствующим образом подбирают компоненты и их концентрацию.

Водотвердое отношение БСС может составлять 0,25—0,35, особенно если их приготовляют в тампонажных устройствах. Уменьшение водотвердого отношения приводит к более активно­му действию ускорителей схватывания.

Наиболее широко распространены БСС с добавками але­бастра, гипса, извести, смесей цементов, жидкого стекла, хло­ристого кальция, синтетических смол с отвердителями и их ком­бинации. Добавки твердых активных компонентов достигают 20 - 25%, жидкого стекла — 10 - 16%, хлористого кальция — 4 - 6%, синтетических смол с отвердителями — 20 - 25%.

Для примера можно привести несколько рецептур БСС на базе тампонажного портландцемента: 1) 1000 кг тампонажного цемента, 500 л воды, 150 кг глиноземистого цемента, начало схватывания 45 мин, конец—120 мин; 2) 1000 кг тампонажного цемента, 600 л воды, 100 кг алебастра, начало схватывания 5 мин, конец — 35 мин; 3) 1000 кг тампонажного цемента, 450 л воды, 150 кг жидкого стекла, начало схватывания 1 мин, ко­нец— 15 мин и т. д.

Сухие тампонажные составы представляют собой смеси по­рошкообразных тампонажных материалов, которые опускают в скважину в водонепроницаемых контейнерах (полиэтиленовых мешках, цементных стаканах) и затворяют пластовой водой или промывочной жидкостью в процессе разрушения контейне­ров буровым инструментом. Использование сухих тампонажных составов получило название способа «сухого» тампонирования. Наиболее распространенные составы: 40—50% глиноземистого или активированного тампонажного цемента и 60—50% гипса или алебастра. Известны и полимерцементные составы, пред­ставляющие собой смесь цемента с порошкообразной смолой, например параформальдегидом и резорцином.

Сухие тампонажные составы применяют для изоляции тре­щиноватых поглощающих горизонтов.

§ 4. НЕФТЕЦЕМЕНТНЫЕ РАСТВОРЫ

Нефтецементные растворы состоят из цемента и нефти или дизельного топлива в количестве 40—50% от массы цемента. Для повышения растекаемости такого раствора в него добавля­ют до 2% поверхностно-активных веществ: димера, крезола, нафтенафта кальция и др. При смешивании с водой нефтецементный раствор теряет подвижность и превращается в камень.

Углеводородная фракция вытесняется водой в процессе кон­такта с пластовыми водами и последующей диффузии. Так как твердение происходит при недостатке воды (20—25%), цемент­ный камень отличается высокой прочностью. Преимущество нефтецементного раствора — его несхватываемость при отсутст­вии воды, что позволяет безопасно доставлять раствор на боль­шие глубины.

Нефтецементные растворы применяют при цементировании скважин в условиях трещиноватых коллекторов, а также для ликвидации поглощений промывочной жидкости.

§ 5. ЦЕМЕНТНО-ПЕСЧАНЫЕ СМЕСИ

Цементно-песчаные смеси применяют для разобщения про­ницаемых горизонтов в высокотемпературных скважинах, для борьбы с поглощениями промывочной жидкости, при ликвида­ционном тампонировании. При твердении в нормальных усло-виях эти смеси дают камень пониженной прочности, так как не­молотый (естественный) песок при небольших температурах иг­рает роль инертного наполнителя. Коррозионная стойкость камня несколько повышенная. С увеличением температуры твердения прочностные свойства и коррозионная стойкость камня возрастают.

Свойства смеси и тампонажного камня определяются водо-твердым отношением, качеством цемента, размерами частиц песка, соотношением массового состава цемента и песка. По­следнее в зависимости от назначения смеси может изменяться от 1: 1 до 1: 3. Увеличение дозировки песка требует понижения водотвердого отношения, которое может доходить до 0,25.

Цементно-песчаная смесь менее стабильна, чем цементные растворы, готовится вручную, а также с помощью цементно-смесительных машин.

§ 6. ЦЕМЕНТНО-СУГЛИНИСТЫЕ СМЕСИ

Цементно-суглинистые смеси применяются ограниченно, глав­ным образом при ликвидационном тампонировании. При тверде­нии в нормальных условиях они дают камень с очень низкими прочностными характеристиками, но с удовлетворительной про­ницаемостью. Свойства смеси и камня определяются качеством цемента и суглинка, водоцементным фактором, отношением це­мента и суглинка, которое может доходить до 1:2. Водотвердое отношение зависит от качества суглинка, цемента и от их соот­ношения, оно изменяется от 0,5 до 0,8. Цементно-суглинистые смеси более стабильны, чем цементно-песчаные, но при том же водотвердом отношении прокачиваются хуже.

§ 7, ГИПСОВЫЕ РАСТВОРЫ

Гипсовые растворы — быстросхватывающиеся составы, ис­пользуются для цементирования кондукторов и борьбы с погло­щениями промывочной жидкости. Их готовят обычно на поверх­ности. При водотвердом отношении, нормальном для цементных растворов (0,45—0,5), сроки схватывания гипсовых смесей из­меряются минутами, а растекаемость составляет 10—12 см. Для получения раствора с растекаемостью более 16 см водогипсовое отношение принимается не менее 0,65—0,7 и даже 0,9, при этом сроки схватывания остаются очень малыми (начало схватыва­ния до 20 мин). Гипсовый камень отличается довольно низкой прочностью и малой коррозионной стойкостью.

Гипсовые и гипсоцементные растворы могут затворяться на дизельном топливе, что делает их несхватывающимися вплоть до контакта с водой. Процесс вытеснения дизельного топлива и последующее твердение гипса протекают в скважине за 10— 12 мин.

§ 8. ИЗВЕСТКОВЫЕ РАСТВОРЫ

Известковые растворы используются только с добавками, в основном пуццолановыми. Чаще всего в качестве наполнителя применяется песок, реже зола в соотношении от 1:2 до 1:4. Такие растворы получили название известково-песчаных или известково-кремнеземистых. Известковые растворы применяются при борьбе с поглощениями (В/Т=0,4÷0,45), и для тампониро­вания глубоких высокотемпературных скважин (В/Т=0,5÷ 0,55).

Для повышения стабильности в них вводят небольшие ко­личества глинистого раствора. Известково-глинистые растворы содержат в качестве твердой фазы известь и бентонитовую гли­ну в соотношении от 1: 5 до 1: 3. Для повышения текучести в раствор с водой затворения вводят до 8% ССБ. Применяются и известково-песчаные растворы, содержание песка в которых до­ходит до 200%. Известковые растворы используются редко.

§ 9. ТАМПОНАЖНЫЕ РАСТВОРЫ НА ОСНОВЕ ГЛИН

К тампонажным растворам на основе глин в первую очередь относятся глинистые растворы с повышенным содержанием твер­дой фазы и добавками структурообразователей, которые образу­ют в растворах нетвердеющие, но упрочняющиеся во времени коагуляционные структуры. Наиболее распространены в качест­ве структурирующих добавок цемент, жидкое стекло, гипс, але­бастр, а также их комбинации. Для улучшения тампонирующих свойств вводят наполнители. Свойства таких растворов регули­руются в широких пределах как содержанием глины в исход­ном глинистом растворе, так и видом и количеством структурообразователя.

Для нетвердеющих составов очень важно подобрать такую рецептуру, которая бы обеспечивала необходимый рост проч­ностных характеристик при упрочнении структуры раствора в трещинах и в то же время минимально сказывалась па всасы­вающих возможностях насосов. Не менее важны и реологиче­ские свойства, так как они определяют условия растекания рас­твора в трещинах и величину потерь давления в нагнетательной линии.

Основные характеристики тампонажных растворов на основе глин — плотность, растекаемость, статическое напряжение сдви­га, пластическая прочность и характер ее изменения во времени. Эти растворы применяются для борьбы с поглощениями.

Дата добавления: 2015-07-15