Тампонажные смеси

В ТюменНИИГипрогазе разработаны и применяются на месторождениях Севера Тюменской области вермикулитовый и перлитоцементный тампонажные составы для пониженных температур (+30 -5°С). Вермикулит и перлитовый песок являются пористыми облегченными добавками с низкими значениями удельной насыпной массы (100-200 кг/м3). В качестве интенсификатора твердения использован 10-20% водный раствор хлорида кальция. За счет содержания газообразной фазы цементный камень из указанных растворов обладает лучшими теплофизическими свойствами.
Во ВНИИКРнефть разработаны аэрированные тампонажные растворы. Основными параметрами, характеризующими качество этих растворов, являются его кратность (отношение высоты вспененного тампонажного раствора к высоте не вспененного исходного раствора) и устойчивость (%) — способность вспененного тампонажного раствора сохранять первоначально достигнутую высоту столба в мерном цилиндре в течение определенного времени. Для достижения максимальных величин кратности и устойчивости необходимо тщательно подбирать тип и дозировку ПАВ к цементномy раствору.
В Тюменском индустриальном институте разработан низкотемпературный седиментационно-устойчивый, безусадочный тампонажный материал (ЦНУБ). Предназначен для цементирования обсадных колонн нефтяных и газовых скважин в интервале температур от минус 8 до + 80°С. Состоит из клинкера тампонажного портландцемента, обожженного твердого остатка содового производства и воды. Применяется в двух вариантах: нормальной плотности с комплексной добавкой кальцинированной соды и нитрилтриметиленфосфоновой кислоты (НТФ) при В/Ц = 0,37…0,5; пониженной плотности с добавкой цеолита и хлорида кальция при В/Ц = 0,6…1,0. Тампонажный материал. ЦНУБ отличается от аналогов на основе гипсоцементной смеси (Пермафрост — США) и тампонажных портландцементов с добавками ускорителей схватывания высоким качеством сцепления с обсадными трубами и горной породой, более высокой прочностью камня при изгибе в условиях пониженных температур, повышенной седиментационной устойчивостью.
Утяжелители для тампонажных растворов
Предупреждение осложнений при цементировании достигается регулированием противодавления на пласты, что может быть обеспечено применением тампонажных растворов с увеличенной плотностью. Для этого необходимо повышать плотность дисперсионной среды или твердой фазы. Распространен второй способ, при котором утяжеление достигается:
введением утяжелителей;
совместным помолом клинкера и утяжеляющих добавок;
увеличением окиси железа в портландцементе.
Реагенты для регулирования свойств тампонажных растворов
Ускорители сроков схватывания: это в основном электролиты и такие вяжущие, как гипс и глиноземистый цемент. Самый распространенный – хлористый кальций. Хлористый калий, силикат натрия, хлорид натрия, кальцинированная сода и др.
Замедлители сроков схватывания: используют в растворах для цементирования глубоких и высокотемпературных скважин. Применяют электролиты и органические вещества. Большинство замедлителей — это гидрофобизирующие поверхностно-активные вещества. Лигносульфонаты различных типов: ССБ, КССБ, окзил, ФХЛС и др.; борная кислота, виннокаменная кислота и т.д.
Пластификаторы – применяют для повышения текучести растворов. ССБ, ГКЖ, ПЛС, С-4 и др.
Понизители фильтрации (водоотдачи) – являются стабилизаторами дисперсных систем и поэтому снижают фильтрацию. Бентонитовая глина, ПАА, декстрин, КМЦ, ПВТ-ТР и др.
Пеногасители – НЧК, АКС-20ПГ и др.
Образование цементного камня
Оно связано с образованием трехкальциевого гидроалюмината. Процесс условно происходит в два этапа. В начальный момент затворения он интенсивно взаимодействует с водой. Мельчайшие частицы растворяются, более крупные гидратируются с растворением вещества поверхности. Затем происходит период замедления этих реакций. В это время цементный раствор – это пластическая масса. На поверхности частичек образуются сольватные оболочки и положительные электрические заряды. Между ними возникают силы отталкивания.
Наряду с этим зерна цемента в массе раствора настолько сконцентрированы, что между ними возникают силы взаимного притяжения. Так как на острых краях цементных зерен толщина сольватных оболочек меньше, чем на остальных участках поверхности, то плотность электирического заряда здесь меньше, следовательно, меньше сила отталкивания. Одновременно, в результате химического взаимодействия составляющих цемента, появляются гидратные новообразования. В системе образуется коагуляционная структура. Завершается первый этап (индукционный).
К этому времени пластическая прочность низка, темп нарастания ее медленный и зависит от связывания вод, степени дисперсности цемента в воде и накапливания гидратных новообразований. Такая система тиксотропна, связи между частицами в ней обеспечиваются через гидратные оболочки и поэтому слабы. После механического разрушения системы связи восстанавливаются. Разрушение структуры при перемешивании не приводит к необратимым последствиям.
Второй этап характеризуется возникновением и развитием кристаллизационной структуры трехкальциевого гидроалюмината. Поверхность и объем частиц увеличивается настолько, что возникают молекулярные связи между ними. Этот процесс сопровождается интенсивным нарастанием прочности структуры. Связь между частицами очень прочная и характер разрушения необратим, т.е. разрушение приводит к уничтожению контактов срастания и резкому снижению прочности. Если перемешать раствор в поздний период твердения, то тампонажный камень может не образоваться.
Длительность каждого этапа и скорость перехода первого во второй обусловлены скоростью накопления гидратных новообразований, которая зависит от В/Ц, качества цемента и воды затворения, наличия добавок и реагентов, условий приготовления и цементирования.
При постоянном перемешивании происходит непрерывное разрушение образующейся структуры с увеличением концентрации мельчайших частиц продуктов гидратации. Это интенсифицирует процесс структурообразования. В результате сопротивление перемешиванию возрастает и в некоторый момент происходит лавинообразное нарастание сопротивления.
Время от затворения до этого момента называется временем загустевания цементного раствора.
Превращение цементного раствора в камень сопровождается контракцией – сокращением суммарного объема цемента и воды в процессе гидратации. Это обусловлено перестройкой кристаллических решеток исходных минералов клинкера из атомных в молекулярные при их гидратации. Внешне контракция проявляется поглощением воды или газа, находящейся в контакте с твердеющим цементным раствором. При полной гидратации цементных зерен поглощение прекратится. Максимально количество поглощенной воды составляет 7-9 мл на 100 г и зависит от активности цемента.