7.9. Тампонажные цементы

Тампонажный портландцемент используют для изоляции пластов в нефтяных и газовых скважинах. При бурении скважины прежде, чем достигают намеченного для эксплуатации продуктивного горизонта, проходят целый ряд водоносных пластов. Для того чтобы предотвратить обрушения стенок скважины, в неё спускают колонну стальных обсадных труб, которые помещаются в скважине с некоторым зазором. Если этот зазор оставить незаполненным, то нефть при добыче будет откачиваться вместе с грунтовой водой. Затрубное пространство сначала промывают глиняным раствором, чтобы закупорить трещины в фунте и удалить отвалившиеся куски породы, после чего в него закачивают цементный Раствор. Цементный камень, образующийся после затвердевания раствора, изолирует водоносные горизонты от нефтеносных и газоносных, а также закрепляет обсадную колонну в стволе скважины и защищает её от корродирующего воздействия пластовых вод и газов. Для того чтобы эксплуатировать нефтеносный или газоносный горизонт, после затвердевания цементного раствора обсадную колонну перфорируют на соответствующей глубине. Очевидно, что условия эксплуатации тампонажного раствора и способы его укладки специфичны. Цементный раствор должен обладать достаточной текучестью, чтобы легко перекачиваться насосом, поэтому его готовят при высоком водоцементном отношении (0,4-0,5) и без песка. Цементный раствор должен сохранять хорошую подвижность в течение всего времени, необходимого для цементирования скважины, но после окончания этой операции должен быстро твердеть, чтобы сократить простой скважины. Глубоко залегающие слои грунта имеют высокую температуру: для сверхглубоких скважин на глубине 7-8 км температура составляет 200°С при давлении 100 МПа. При таких условиях схватывание цементного раствора значительно ускоряется. Чтобы цемент имел технологически достаточные для цементирования сроки схватывания, подбирают соответствующий минералогический состав клинкера, тонкость помола цемента, а также вводят специальные добавки - замедлители схватывания.

Выпускают два основных вида тампонажных цементов - для '"холодных" и для "горячих" скважин. Цементы для "холодных" скважин испытывают при температуре 22±2^oC. Цементное тесто состава 1:0 при водоцементном соотношении В/Ц=0.5 должно иметь растекаемость не менее 180 мм. Начало схватывания должно наступать не ранее 2 ч с момента затворения, а конец - не позднее 10 ч. Прочность при изгибе через 48 ч должна быть не ниже 2,7 МПа. Этим требованиям отвечает клинкер с повышенным содержанием алита (50-60%) и гипса (6-7%) при условии более тонкого измельчения цемента (удельная поверхность не ниже 350 м²/кг).

Цементы для ''горячих" скважин испытывают при температуре 75±3^СС. Растекаемость теста также должна быть на уровне 180 мм. но начало схватывания должно наступать не ранее 1ч 45 мин, а конец - не позднее 5 ч. Прочность при изгибе через 24 ч твердения должна составлять не менее 3,5 МПа. Такие цементы получают на основе низкоалитовых клинкеров с пониженным содержанием трёхкальциевого алюмината (не более 6%) при более грубом помоле вяжущего (удельная поверхность не выше 300 м²/кг).

Разнообразные условия в скважинах, определяемые их глубиной и геологией вскрытых горизонтов, делают невозможным в некоторых случаях применение обычных тампонажных цементов, тогда используют специальные тампонажные цементы. В сверхглубоких нефтяных и газовых зажинах, где температура превышает 100°С, прочность цементного камня при эксплуатации снижается. Чтобы устранить это, применяют цементы не только с пониженным содержанием C3S и СзА в клинкере, но также вводят при помоле до 30-50% кварцевого песка или других кремнезёмистых материалов.

Высокие температуры и давления в глубоких скважинах создают там естественные гидротермальные (автоклавные) условия. Вследствие этого появляется возможность использовать также различные бесклинкерные вяжущие: шлако-песчаные, известково-песчаные, известково-зольные смеси, а также белито-кремнезёмистый цемент на основе нефелинового шлама и песка.

Если скважина пробурена в породах низкой прочности, то гидростатическое давление тяжёлого столба цементного раствора, плотность которого около 1850 кт/м³, может разрушить породу, а сам раствор будет поглощен пластом. В этих случаях применяют облегченные тампонажные растворы с пониженной плотностью, которые имеют высокое водоцементное отношение В/Ц=1-1,5. Чтобы получить низкоплотные растворы, к цементу добавляют бентонитовую глину, опоку, диатомит, трепел пли пемзу. Если же скважиной вскрыты горизонты, в которых наблюдается высокое давление нефти, газа или грунтовой воды, то требуются утяжеленные цементы, которые получают путём введения в их состав тяжёлых добавок - барита, гематита, магнетита.