Для цементирования высокотемпературных скважин предложен белитокремнеземистый цемент, изготовляемый на основе белитового (нефелинового) шлама и кварцевого песка. На базе этого цемента готовят тампонажный раствор для цементирования при температурах до 180 — 200 °С.
Известково-песчаные тампонажные растворы готовят на основе извести и молотого кварцевого песка с добавкой бентонитовой глины. При температуре 130—150 °С и высоком давлении смесь схватывается очень быстро (< 30 мин), но с добавками специальных веществ сроки схватывания можно увеличить.
Тампонажный цемент на базе ферромарганцевого шлака, получаемого при производстве чугуна, проявляет вяжущие свойства при температурах выше 100 °С. Тампонажный раствор из этого цемента можно эффективно применять при температуре от 150 до 350 — 400 °С. Для сокращения сроков схватывания в раствор добавляют кальцинированную соду.
В последние годы проводится большая работа по созданию рецептуры новых вяжущих материалов в виде органических соединений. Например, применяют полимерцементы, в которых вяжущая основа представлена смесью минеральных веществ и полимеров. В качестве полимерных добавок используют различные синтетические каучуки, смолы, поли-акрилаты, полистирол и другие соединения. Одна из разновидностей полимерцемента — латексцемент, имеющий в качестве полимерной добавки натуральный или синтетический каучук. Такой цемент дает возможность получить прочный непроницаемый цементный камень, обладающий высокой упругостью и устойчивостью в агрессивных средах. Благодаря своим положительным свойствам полимерцементы привлекают к себе все большее внимание специалистов.
При цементировании вяжущий материал подают в скважину в виде тампонажного раствора. Тампонажным раствором называется дисперсная система, образующаяся при затворении тампонажного цемента водой, пресной или с химическими реагентами и прочими добавками. Для тампонажного раствора характерна нестабильность состояния и способность к фазовым превращениям. С этой точки зрения растворы, получаемые при затворении цементов на нефти или нефтепродуктах (дизельное топливо и т.д., только условно можно относить к тампонажным, так как для проявления свойств диспергированных вяжущих материалов необходимо замещение жидкой фазы водой.
Основное требование к тампонажным растворам состоит в том, что они должны сохранять достаточно высокую подвижность в течение всего периода подачи их в интервал цементирования и затем быстро затвердевать, достигая прочности, достаточной для возобновления работ в скважине.
Формирование цементного камня из тампонажного раствора происходит с участием воды как необходимого компонента, поэтому одна из основных характеристик раствора — его водосодержание, которое оценивается водоцементным отношением. Водоцементное отношение — это отношение массы воды к массе цемента. Для стандартных тампонажных портландцементов водоцементное отношение может изменяться в пределах 0,4 — 0,6.
Тампонажный раствор характеризуется рядом свойств. Среди них наиболее важны плотность, подвижность (расте-каемость), седиментационная устойчивость, показатель фильтрации, структурная вязкость, динамическое напряжение сдвига, время загустевания, сроки схватывания. Свойства тампонажного раствора зависят от химико-минералогического состава основы, состава жидкости затворения, состава, строения и концентрации наполнителей, концентрации и активности химических добавок, режима приготовления и перемешивания раствора и изменяются в зависимости от действия таких факторов, как температура и давление.
По плотности тампонажные растворы подразделяются на легкие (до 1300 кг/м3), облегченные (1300—1750 кг/м3), нормальные (1750 — 1950 кг/м3), утяжеленные (1950 — 2200) и тяжелые (выше 2200 кг/м3). При водоцементном отношении 0,5 стандартный раствор из портландцемента имеет плотность 1810—1850 кг/м3. С повышением водоцементного отношения плотность раствора снижается. Имеются тампонажные цементы, позволяющие приготовлять утяжеленные растворы плотностью 2060 — 2160 кг/м3 (УЦГ-1, УШЦ-1) и тяжелые растворы плотностью до 2250 кг/м3 (УЦГ-2, УШЦ-2). Повышение плотности достигается также введением утяжелителей в тампонажный раствор.
Чрезвычайное разнообразие условий в скважинах, их переменчивость по стволу скважины в интервале цементирования, влияние различных факторов на свойства тампонажного раствора обусловливают необходимость регулирования его первоначальных свойств путем уточнения состава основных вяжущих материалов и введения дополнительных веществ.
Все вводимые в тампонажный раствор вещества можно подразделить на группы:
добавки (кварцевый песок, шлаки и т.п.), которые в определенных условиях взаимодействуют с вяжущим материалом основы и участвуют в процессе формирования цементного камня;
химические реагенты, которые, как правило, вводят в воду затворения для воздействия на реологические свойства тампонажного раствора, показатель фильтрации и сроки его схватывания;
наполнители (целлофан, асбест, шелуха, различные волокна, слюда), инертные по отношению к основному вяжущему материалу.
В зависимости от конкретных условий возникает необходимость изменения сроков начала схватывания: их увеличения при цементировании в глубоких скважинах с высокими забойными температурами и высоким давлением и их уменьшения, если цементировочные работы ведутся на небольших глубинах. Начало схватывания тампонажного раствора удается изменять введением химических реагентов. По характеру воздействия на время схватывания они подразделяются на ускорители и замедлители. Ускорители интенсифицируют процесс гидратации частиц в растворе, способствуя образованию коагуляционной и кристаллизационной структур и сокращению срока начала схватывания. К ускорителям относятся хлориды кальция, алюминия, натрия и цинка, каустическая и кальцинированная сода и др. Хлористый натрий является ускорителем, если его дозировка не превышает 2 —3 %, в большем количестве он оказывает обратное действие.
Замедлители, адсорбируясь на поверхности частиц вяжущего материала, снижают темп их гидратации и увеличивают срок начала схватывания. В качестве замедлителей используют ССБ, КМЦ, гипан, виннокаменную кислоту и другие реагенты.
Количество химических реагентов определяют лабораторным путем в зависимости от характера скважины, способа цементирования и сорта тампонажного цемента.
1.3.Организация процесса цементирования
Технология цементирования складывалась на основе многолетнего практического опыта и совершенствовалась с использованием достижений науки и техники. На современном уровне она включает систему отработанных норм и правил выполнения цементировочных работ, а также типовые схемы организации процесса цементирования.
В каждом конкретном случае технологию цементирования уточняют в зависимости от конструкции и состояния ствола скважины, протяженности цементируемого интервала, горно-геологических условий, уровня оснащенности техническими средствами и опыта проведения цементировочных работ в данном районе.
Применяемая технология должна обеспечить: цементирование предусмотренного интервала по всей его протяженности; полное замещение промывочной жидкости тампонажным раствором в пределах цементируемого интервала; предохранение тампонажного раствора от попадания в него промывочной жидкости; получение цементного камня с необходимыми механическими свойствами, с высокой стойкостью и низкой проницаемостью; обеспечение хорошего сцепления цементного камня с обсадной колонной и стенками скважины.
При разработке технологии цементирования для конкретных условий прежде всего подбирают способ. Он должен обеспечить подъем тампонажного раствора на заданную высоту, заполнение им всего предусмотренного интервала (а если есть необходимость, то и защиту некоторого интервала от проникновения тампонажного раствора), предохранение тампонажного раствора от попадания в него промывочной жидкости при движении по обсадной колонне.
Исследованиями установлено, что наиболее полное замещение промывочной жидкости происходит при турбулентном режиме (98 %), худшие показатели (42 %) получают при структурном режиме. Для наиболее полного замещения промывочной жидкости рекомендуется ряд мероприятий:
тщательное регулирование реологических свойств промывочной жидкости, заполняющей скважину перед цементированием, с целью снижения вязкости и статического напряжения сдвига до минимально допустимых значений;
нагнетание тампонажного раствора в затрубное пространство со скоростями течения, обеспечивающими турбулентный режим;
применение соответствующих буферных жидкостей на разделе промывочной жидкости и тампонажного раствора;
расхаживание или вращение обсадной колонны при подаче тампонажного раствора в затрубное пространство;
применение полного комплекса технологической оснастки обсадной колонны.
При разработке технологии подбирают тампонажный материал, рецептуру и свойства тампонажного раствора, определяют режим закачки и продавливания тампонажного раствора, суммарную продолжительность цементировочных работ и промежуток времени, необходимый для формирования в затрубном пространстве цементного камня с достаточной прочностью, позволяющей возобновить работы в скважине.
Цементирование обсадной колонны можно представить как цепочку ряда процессов и операций: подготовка ствола скважины к цементированию; цементирование затрубного пространства (приготовление и закачка тампонажного раствора в скважину, продавливание цементного раствора в затрубное пространство); ожидание затвердения цемента (ОЗЦ): при цементировании кондуктора ОЗЦ обычно длится 5 — 8 ч, при цементировании промежуточных и эксплуатационных колонн — от 1 до 24 ч; проведение контрольных замеров для определения качества цементирования,испытание обсадной колонны на герметичность, разбуривание цементного стакана в колонне, проверка герметичности изоляции затрубного пространства.