- •Авторы: н.И. Николаев, ю.А. Нифонтов, в.В. Никишин, р.Р. Тойб
- •Введение
- •Глава 1. Тампонажные материалы
- •1.1. Назначение и классификация тампонажных материалов для проведения изоляционных работ в скважинах
- •1.2. Минеральные вяжущие вещества
- •1.3. Физико-химические процессы гидратации и твердения минеральных вяжущих веществ Состав и свойства цементного клинкера
- •Связь между составом клинкера и свойствами портландцемента
- •Активные добавки в клинкер при его помоле
- •Кинетика структурообразования цементного камня
- •Активные добавки в состав тампонажного портландцемента
- •Природа процессов схватывания и твердения цементного камня
- •1.4. Тампонажные материалы специального назначения Термостойкие тампонажные цементы
- •Расширяющиеся тампонажные цементы
- •1.5. Тампонажные материалы на основе силикатов щелочных металлов
- •1.6. Органические и органо-минеральные тампонажные материалы Тампонажные смеси на основе торфа и сапропеля
- •Тампонажные смеси на основе синтетических смол
- •Тампонажные растворы на основе латексов
- •Тампонажные смеси на основе лигносульфонатов
- •Битумные тампонажные смеси
- •1.7. Комбинированные тампонажные смеси
- •1.8. Модифицированные тампонажные материалы
- •Облегченные тампонажные цементы и растворы
- •Утяжеленные тампонажные цементы и растворы
- •Глава 2. Контроль и регулирование свойств тампонажных смесей
- •2.1. Методы определения физико-механических свойств тампонажных смесей
- •2.2. Регулирование свойств тампонажных растворов с помощью химических реагентов
- •Ускорители схватывания и твердения. Для сокращения времени ожидания затвердевания цемента в тампонажные растворы вводят ускорители процессов схватывания и твердения.
- •Краткая характеристика некоторых реагентов
- •Глава 3. Технология тампонирования скважин
- •3.1. Цементирование обсадных колонн
- •Способы цементирования скважин
- •Методика расчета одноступенчатого цементирования
- •Режим работы цементно-смесительного оборудования при приготовлении тампонажных растворов из различных сухих материалов
- •Организация процесса цементирования скважин
- •3.2. Ликвидация геологических осложнений в открытом стволе скважины Изоляция поглощающих зон цементными растворами
- •Изоляция поглощающих горизонтов глиноцементными растворами
- •Изоляция поглощающих зон быстросхватывающимися смесями
- •Тампонажные устройства
- •Технология тампонирования скважин сухими быстросхватывающимися смесями (бсс)
- •Устройства с совмещенной доставкой бcc в скважину
- •Ликвидация каверн, пустот и крупных трещин в скважинах
- •3.3. Установка разделительных мостов и искусственных забоев в скважинах
- •3.4. Ликвидация и консервация скважин Ликвидационное тампонирование скважин
- •Консервация скважин
- •Рекомендательный библиографический список
- •Оглавление
- •Глава 1. Тампонажные материалы 5
- •Глава 2. Контроль и регулирование свойств тампонажных смесей 56
- •Глава 3. Технология тампонирования скважин 81
Глава 1. Тампонажные материалы
1.1. Назначение и классификация тампонажных материалов для проведения изоляционных работ в скважинах
В связи с большим разнообразием целей и методов применения тампонажных материалов при бурении скважин, различны и требования, предъявляемые к ним. Требования обусловлены горно-геологическими условиями строительства скважин, которые непрерывно усложняются по мере увеличения глубин и совершенствования технологии бурения, поэтому главным требованием к тампонажным материалам является возможность регулирования их свойств в достаточно широких пределах. Для качественного проведения изоляционных работ в скважинах необходимо использовать составы тампонажных материалов в зависимости от конкретных условий бурения.
К наиболее важным факторам, определяющим выбор тампонажных материалов, следует отнести температуру в скважине и перепад температур между верхней и нижней отметками глубины расположения тампонажного раствора.
Температура окружающей среды определяет в основном выбор того или иного типа тампонажного материала (портландцемент, глиноземистый цемент, шлаковый цемент и т.д.), а перепад температур – выбор рецептуры тампонажного раствора, обеспечивающей одновременное его схватывание по всей протяженности изолируемого интервала скважины.
Важное значение как для технологии проведения тампонажных работ, так и для процесса твердения камня в стволе скважины имеет давление. Обычно давление жидкостей и газов в недрах приблизительно равно условному гидростатическому, за величину которого принимается давление столба пресной воды, равного по высоте глубине залегания насыщенного жидкостью или газом пласта. Однако встречаются пласты с аномально низким и аномально высоким пластовым давлением (АНПД и АВПД).
Давление, возникающее при проведении тампонажных работ или при эксплуатации скважины, может оказаться выше АВПД и даже превышать горное давление, а также прочность горных пород. На процесс твердения и долговечность тампонажных материалов значительно влияет перепад давления между отдельными пластами, вызывающий движение тампонажного материала вдоль поверхности контакта его с горными породами или обсадными трубами. Фильтрация жидкостей или газов через малопрочный тампонажный материал приводит к размыву (суффозии), а в прочном тампонажном камне может вызвать коррозионные процессы, способствующие проникновению вглубь растворенных агрессивных компонентов. Затвердевший тампонажный материал испытывает статические нагрузки от обсадной колонны при колебаниях температуры, а также динамические – при различных работах внутри ствола скважины, особенно сильные при некоторых способах перфорации обсадных колонн. Один из важнейших факторов, определяющих выбор вида и состава тампонажного материала, – химический состав окружающей среды, особенно наличие в ней воды, хорошо растворимых солей, кислых газов. Это главный фактор, влияющий на долговечность тампонажного материала.
В качестве тампонажных материалов в настоящее время широко применяются минеральные вяжущие вещества – порошкообразные продукты, образующие при так называемом затворении, т.е. при смешивании с водой или водными растворами солей, нерасслаивающиеся суспензии, способные к затвердеванию. Природа твердения таких суспензий сложна и многообразна. В ее основе лежит чаще всего химическая реакция между частицами порошка (твердой фазы суспензии) и жидкостью затворения (жидкой фазой суспензии), приводящая к следующему:
значительному увеличению объема твердой фазы за счет химической реакции присоединения к ней жидкой фазы;
повышению дисперсности твердой фазы, сопровождающемуся многократным увеличением поверхности раздела фаз, а следовательно, к росту числа контактов между частицами твердой фазы, причем в местах контакта частицы сращиваются;
образованию тонкокристаллической структуры тампонажного камня.
К минеральным вяжущим веществам относят также жидкие или водорастворимые материалы, способность к затвердению которых проявляется при смешивании их с растворами других химических веществ. В смеси растворов таких веществ происходит химическая реакция, в результате которой выпадает тонкодисперсный твердый осадок.
В последние годы в качестве тампонажных все больше применяются органические полимеризующиеся материалы, называемые органическими связующими.
Химические вещества, обеспечивающие затвердевание жидкообразной системы – тампонажного раствора, редко применяются в чистом виде. Их смешивают либо с инертными по отношению к ним веществами-наполнителями (утяжелители, облегчающие добавки, закупоривающие или армирующие наполнители), либо с химически активными добавками, чтобы ускорить или замедлить затвердевание, уменьшить корродирующее воздействие окружающей среды и т.д.
Химические вещества, обеспечивающие затвердевание тампонажных растворов, называются базовыми тампонажными материалами, а вещества, вводимые для регулирования свойств тампонажных растворов или образующегося тампонажного камня, называют добавками. Тампонажные материалы, содержащие добавки, называются модифицированными или смесями. Модифицирующие добавки можно вводить в порошкообразный тампонажный материал, в жидкость затворения или в приготовленный тампонажный раствор.
Области применения тампонажных материалов:
для изоляции затрубного пространства обсадных колонн глубоких скважин;
для ликвидации поглощений промывочной жидкости и водопроявлений;
для поддержания устойчивости ствола скважины;
для установки разделительных мостов, консервации и ликвидации скважин.
Температурные условия применения тампонажных материалов: для низких температур (< 15 С); для нормальных температур (15-40 С); для повышенных температур (40-90 С); для высоких температур (90-160 С); для сверхвысоких температур (> 160 С).
По плотности приготовляемых растворов тампонажные материалы делятся на: нормальные (1650-1950 кг/м3); облегченные (1400-1700 кг/м3); легкие (< 1400 кг/м3); утяжеленные (1950-2300 кг/м3); тяжелые (> 2300 кг/м3).
По особым свойствам тампонажные материалы классифицируются: быстросхватывающиеся; медленносхватывающиеся; коррозионно-стойкие к определенным средам; расширяющиеся; с закупоривающими свойствами; с особо высокой подвижностью; с низкой водоотдачей; армированные волокнами.