Цемент для горячих скважин

Тампонажный цемент: характеристики и применение

Этот строительный материал является разновидностью портландцемента. Состав предназначен для выполнения работ по изоляции скважин от давления грунтовых вод при добыче нефти и газа. Он обладает хорошими техническими и строительными характеристиками. Требования к такому цементу определены государственными стандартами 1581-96.

Состав

В состав тампонажного цемента входит измельченная основа клинкера с гипсом. Применяют и компоненты, которые воздействуют на определенные свойства материала. На рынке представлены различные подвиды раствора для нефтяных и газовых скважин:

1. Песчанистые. В состав смеси входит кварцевый песок с гипсом. Соотношение компонентов для «холодных» скважин — 20%. Для «горячих» — 50%.
2. Гигроскопический с добавкой триэтаноламина.
3. Солестойкий. Применяется в местах с высокой концентрацией солей в грунтовых водах. Кварцевый песок, входящий в состав цементного раствора, предупреждает появление коррозии.
4. Утяжеленный. При производстве перемешивают клинкер и утяжеляющие добавки: железную руду в форме магнетитов, гематитов, шпальтов.

В горячей скважине цемент затвердевает быстрее, характеризуется повышенной прочностью благодаря низкому проценту СзА.

По химико-минералогическому составу тампонажный цемент схож с портландцементом. Но минералогическая клинкерная основа на разных производствах отличается. Клинкеры для холодных скважин обладают следующими характеристиками:

1. Высоким содержанием трехкальциевого силиката (57-60%) при низкой концентрации СзА (4-7%). Тонко измельченный клинкер обеспечивает высокую активность цемента на стадии отвердевания и необходимую скорость схватывания.
2. Повышенным содержанием трехкальциевого алюмината (12-13%). Это способствует быстрое схватывание и затвердевание состава.

Тампонажный цемент, затворенный водой на 50%, дает подвижную пульпу, которую накачивают насосами в скважины. Нужно, чтобы твердый камень из портландцемента обладал высокой начальной прочностью. Чтобы регулировать сроки застывания, в состав включают гипс. Его дозировку подбирают исходя из компонентов клинкерной основы и степени помола.

Тампонажный портландцемент обладает рядом особенностей:

• водостойкость — возможность застывания под водой;
• сочетание с различными наполнителями;
• быстрое затвердевание.

Вне зависимости от условий окружающей среды он сохраняет свою целостность и прочность длительное время.

Маркировка

На пакетах со строительным составом указаны обозначения типа: ПЦТ III-Об 5-100-ГФ ГОСТ 1581-96. По этим показателям определяется маркировка:

• ПЦТ — портландцемент тампонажный;
• III-Об — третий вид уплотнителя облегченного, вяжущего;
• 5 — показатель прочности;
• 100 — температура для укладки и использования, тип умеренный;
• ГФ — гидрофобизированное вяжущее, устойчивое к влаге;
• ГОСТ 1581-96 — стандарт, установленный государством.

Производство материала должно производиться строго по ГОСТу и техническому регламенту.

Параметры

Тампонажный цемент по своему составу классифицируются на различные виды:

• песчанистые (П50);
• с добавками (Д20);
• без добавок (Д0);
• с добавками (утяжеляющими или облегчающими), регулирующими плотность смеси.

По плотности цементного раствора выделяют:

• утяжеленный (У);
• облегченный (О);
• с нормальной плотностью.

По температуре использования:

• для высоких (150);
• низких и нормальных (50);
• умеренных (100).

По степени сульфатостойкости:

Производитель гарантирует соответствие портландцементов принятым государственным стандартам при соблюдении условий транспортировки и хранения в упаковке.

Основные технические характеристики

Свойства тампонажного портландцемента строго регламентированы государственным стандартом, которым должны руководствоваться производители вяжущей смеси.

Основными техническими показателям ТП по ГОСТу 26798.1-96 являются:

• Удельная насыпная плотность — 800 -1200 кг/м.
• Насыпная поверхность — 250-1500 м2/кг (зависит от тонкости помола, минералогического состава раствора и добавок, включенных в раствор).
• Подвижность около 18-25 см при в/ц=0,5. Нижний уровень — 16 см, когда смесь сохраняет пластичность.
• Водосодержание — 0,35 -0,4 (практически). Теоретически — 0,2 — 0,25. Чтобы получить пластичный раствор, нужно добиться 18 см расплыва материала по АзНИИ-конусу. Это означает, что для каждой партии цемента и раствора количество жидкости больше нормы.
• Сроки схватывания на начальной стадии — не раньше 1 часа 45 минут. Окончание затвердевания — не позднее 10 часов.
• Прочность — 27-62 кг/см2.
• Усадка — не допускается.
• Водоотделение — не больше 7,5-10 мл.

Указанные технические характеристики должны содержаться в сертификате наряду со сведениями о партии и дате изготовления.

Как и у обыкновенного, у тампонажного сохраняются все свойства в течение 6 месяцев. Активность раствора теряется при взаимодействии с влагой и контакте с открытым воздухом. Сроки затвердевания после затворения жидкостью зависят от температурного режима в скважине, количества натрия хлора, хлористого калия в составе смеси. Если температура выше 60 °С, диапазон колеблется от 10 минут до 10 часов. Если ниже — от 2 до 12 часов.

Области применения

Главное назначение строительного материала — тампонирование нефтяных и газовых скважин. При бурении температура горных пород сильно воздействует на статическое напряжение сдвига, водоотдачу и вязкость раствора для бурения. Чем больше температура горных пород, тем труднее удерживать заданные параметры на уровне. При серьезной разности температур требуется применение тампонажного портландцемента.

Процесс представляет собой заделку цементным раствором пространства между обсадной трубой и стенками. Когда состав затвердеет, полученная прослойка будет способствовать надежной защите от грунтовых вод. Заполнять свободное пространство можно частично или полностью, принимая во внимание параметры грунта.

Тампонажный цемент при жилом строительстве не применяется. Исключение — закладка буровых свай под фундамент в тяжелых условиях.

Применение

Тампонажный цемент не заливают вручную. Его закачивают с помощью насосов. Поэтому состав должен быть жидким — 1 часть воды на 2 части сухого порошка. Полученную субстанцию называют пульпой. Зазор между стволом скважины при глубине на сотни и тысячи метров должен быть 15-50 мм. Требования к цементному составу строгие: сохранение первоначальной подвижности при скорости поступления в шахту около 1,5 м/с. Когда процесс завершится, прочность будет возрастать.

Высокие показатели твердости обеспечиваются, если использован качественный цемент. Чтобы в этом убедиться, крошку просеивают через сито. Если порошка осталось на 3/4, то состав считается высококачественным.

Таким образом, тампонажный цемент — продукт, получаемый путем измельчения цементного клинкера гипса и различных добавок. Смесь используется для цементирования нефтяных и газовых скважин для защиты свободного пространства между обсадной колонной и стволом скважины от воздействия подземных вод. В сфере строительства его не применяют. Раствор реализуют навалом и в мягких мешках весом 50 кг.

Источник

Для чего нужен буровой цемент?

Буровой цемент – народное наименование специального вида «связующего» – «Портландцемент тампонажный» со специальными добавками или без таковых. Основными потребителями бурового цемента, являются нефтедобывающие и газодобывающие предприятия.

Что такое буровой цемент?

В соответствии со своим «народным» и Гостовским названием тампонажные цементы используются для герметизации пространства между пробуренным стволом скважины и обсадными трубами от грунтовых вод или разделения нефтегазоносных горизонтов.

Иногда, тампонажный цемент используют в качестве классического портландцемента в строительстве объектов промышленного и гражданского назначения.

ПЦТ II-СС-50. Портландцемент Тампонажный сульфатостойкий с минеральными добавками, для низких или нормальных температур:

• ПТЦ и – портландцемент тампонажный;
• II – с минеральными добавками;
• СС – сульфатостойкий;
• 50 – для низких и нормальных температур (от 15 до 50 градусов Цельсия).

Особенности и характеристики бурового цемента

Тампонажный цемент производится по технологии тонкого помола клинкера с добавкой гипса (от 2 до 3,5% от массы клинкера) и ряда других минеральных веществ, придающих ему специальные свойства: быстрое твердение по отношению к общестроительным цементам, повышенную прочность, высокую жидкотекучесть и пр.

Так как линейные размеры пространства между стволом и обсадными трубами скважин составляют всего 15-50 миллиметров, при глубине бурения сто и тысячи метров, к тампонажному раствору предъявляются весьма жесткие требования. Жидкотекучесть раствора должна обеспечивать скорость закачки в зазор 1,5 м/с, а после того как закачка прекратится раствор должен набрать расчетную прочность в минимальные сроки.

Также стоит учитывать, что по мере увеличения глубины ствола в нем увеличиваются давление и температура. В связи с этим тампонирование шахты осуществляется жидким цементным тестом (пульпой) без песка, с содержанием воды порядка 50% от веса цемента.

Так как наибольшее влияние на сроки схватывания и твердения бурового цемента оказывает температура внутри ствола скважины, цементная промышленность выпускает два класса тампонажного цемента – цемент для «горячих» и «холодных» скважин.

Кроме того имеются специальные виды бурового цемента для особых условий эксплуатации, присутствующих в особоглубоких шахтах: белитокремнеземистый, песчанистый, солестойкий, гигроскопический, сульфатостойкий, утяжеленный, облегченный, волокнистый и другие специальные виды тампонажного цемента. При этом специальные свойства бурового «вяжущего» регулируются добавкой: шлаков, известняков, песка и других минеральных веществ.

При высокой температуре пульпа полностью отвердевает в промежутке времени от 1 часа 40 минут до 10 часов, в зависимости от конкретных условий. При низкой и нормальной температуре процесс твердения занимает промежуток времени от 2 до 12 часов. Для регулировки времени твердения используются добавки калия хлористого и натрий хлора. Самый длительный период твердения имеет тампонажный солестойкий цемент.

Специальные свойства бурового цемента определяют его высокую стоимость по сравнению с классическим портландцементом. Стандартный пятидесятикилограммовый мешок тампонажного цемента стоит в среднем 300 рублей, а стоимость цемента реализуемого россыпью или в мягких контейнерах (биг-бегах) колеблется от 4 400 рублей до 6 950 рублей в зависимости от вида и компании производителя.

Поэтому применение бурового цемента в гражданском строительстве экономически нецелесообразно, и возможно только в тех случаях, когда бетонная конструкция эксплуатируется в особых условиях.

Отечественные производители тампонажного цемента

Спасскцемент, ОАО Сухоложскцемент, ООО «Топкинский цемент», ООО «Красноярский цемент», Группа компаний «БЕСТО», ОАО «Вольскцемент», ПАО «Подольск-Цемент» и ряд других старейших и новых предприятий.

Источник

Тампонажные цементы

Для обустройства и реставрации нефтяных и газовых скважин создан специальный вид вяжущего – тампонажный цемент. Он обладает уникальными в своем роде свойствами проникновения и высокой адгезии с поверхностью, благодаря чему иногда применяется при ремонте коммуникаций. Рассмотрим основные свойства этого материала, особенности и отличие от традиционного портландцемента.

Состав

Тампонажный цемент – это вяжущее, которое практически не отличается от портландцемента за исключением повышенных требований к минералогическому составу клинкера. Допускается применение добавок, оказывающих влияние на отдельные свойства материала, в связи с чем его делят на группы:

1. I – бездобавочный тампонажный ПЦ, который делится на два типа:
   • I-G – с нормированными требованиями при водоцементном соотношении 0,44;
   • I-H – с установленными требованиями при в/ц 0,38;
2. II – тампонажный цемент с добавками минерального происхождения;
3. III – тампонажный ПЦ с регулирующими плотность теста добавками.

Для данного типа вяжущего разрешено применение только минеральных и некоторых синтетических добавок, среди которых:

• Триэтаноламин, способствующий повышению гигроскопичности изоляции нефтяных скважин;
• Известняк (гипс) – добавка для расширяющихся цементов;
• Кварцевый песок для утяжелённого и солестойкого цемента;
• Шлаки;
• Шпаты, гематиты и другие утяжеляющие добавки.

К базовому клинкеру предъявляют строгие требования:

• Для холодных скважин количество алюмината трехкальциевого должно быть в пределах 10…13%, около 50% алита;
• Для «горячих» скважин содержание СзА должно быть минимальным – процессы твердения и набора прочности происходят естественным образом при повышении температуры в шахте.

Классификация

Требования к тампонажным цементам предъявляет ГОСТ 1581-96. Он нормирует основные характеристики материала и приводит его подробную классификацию. Кроме того, документ демонстрирует деление вяжущего по нескольким ключевым признакам. Все они отражаются в маркировке цемента и принимаются к сведению при выборе компонентов для строительства.

Плотность цементного теста для ПЦТ III типа:

• Утяжелённый (Ут) – вяжущее с утяжеляющими добавками (песок, шлак);
• Облегченный (Об) – классический состав.

Температурный режим монтажа и эксплуатации выбирают исходя из особенностей работы шахты:

• Низкие и нормальные (15…50)°С;
• Умеренные (51…100) °С;
• Повышенные (101…150) °С.

Стойкость к сульфатам, присутствующим в недрах грунтовых пород, для утяжеленных и облегчённых тампонажных цементов групп I, II, III:

• Обычные (без специальных требований);
• Сульфатостойкие со специальными присадками (СС).

Для типов I-G и I-H выделяют два уровня сульфатостойкости:

Степень защиты от сульфатов определяется анализом грунта при пробном или исследовательском бурении.

• Гидрофобизированное (ГФ);
• Пластифицированное (ПЛ).

Маркировка

По приведенным признакам тампонажного портландцемента (ПЦТ) можно расшифровать маркировку пакета. На примере ПЦТ III-Об 5-100-ГФ ГОСТ 1581-96:

ПЦТ – портландцемент тампонажный;
III-Об – третий тип уплотненного вяжущего облегченный;
5 – марка прочности тампонажного цемента. Определяется производителем;
100 – температура монтажа и эксплуатации, умеренный тип;
ГФ – гидрофобизированное вяжущее, стойкое к воде;
ГОСТ 1581-96 – нормативный документ.

Основные технические показатели

Поскольку тампонажный цемент применяется в строительстве скважин нефтедобычи и сопутствующих продуктов, его свойства строго регламентированы ГОСТом, которые настоятельно рекомендуется придерживаться производителям вяжущего.

Основные характеристики ПЦТ по ГОСТ 26798.1-96:

Свой­ство	Зна­че­ние	При­ме­ча­ние
На­сып­ная по­верх­ность	250…1500 м 2 /кг	Па­ра­метр за­ви­сит от тон­кос­ти по­мо­ла, ми­не­ра­ло­ги­чес­ко­го сос­та­ва по­рош­ка и вклю­чён­ных в сос­тав до­ба­вок.
Плот­ность на­сып­ная удель­ная	800…1200 кг/м 3
Во­до­со­дер­жа­ние (от­но­ше­ние мас­сы во­ды к твер­дой фа­зе су­хо­го ве­щес­тва)	0,2…0,25 (в те­о­рии), 0,35…0,4 (на прак­ти­ке)	Для по­лу­че­ния плас­тич­но­го рас­тво­ра до­би­ва­ют­ся 18 см рас­плы­ва ма­те­ри­а­ла по ко­ну­су АзНИИ, то есть для каж­дой пар­тии и рас­тво­ра ко­ли­чес­тво во­ды пре­вы­ша­ет нор­ми­ру­е­мое.
Под­виж­ность	В пре­де­лах 18…25 см при в/ц=0,5	Ниж­ний пре­дел под­виж­нос­ти – 16 см. В та­ком сос­то­я­нии раст­вор еще со­хра­ня­ет плас­тич­ность, но она кри­тич­но низ­кая.
Срок схва­ты­ва­ния	На­ча­ло – не ра­нее 1 час 45 мин, ко­нец – не поз­же 10 ча­сов	Ги­дра­та­ци­он­ное твер­де­ние там­по­наж­но­го це­мен­та в шах­те за­ви­сит от сос­та­ва и усло­вий. В «го­ря­чих» сква­жи­нах ги­дра­та­ция про­ис­хо­дит ин­тен­сив­но бла­го­да­ря на­гре­ва­нию рас­тво­ра, в «хо­лод­ных» — из-за ак­тив­ных ком­по­нен­тов. Вре­мя опре­де­ля­ют ла­бо­ра­тор­но по­сред­ством иг­лы Ви­ка (от её про­вала до 1-2 мм на по­верх­нос­ти).
Во­до­отде­ле­ние при ги­дра­та­ции*	7,5…8,5 мл на 250 мл рас­тво­ра	В за­ви­си­мос­ти от сос­та­ва и усло­вий твер­де­ния
Проч­ность	27-62 кг/см 2	Опре­де­ля­ет­ся на вто­рые сут­ки, клю­че­вой по­ка­за­тель. Так­же про­во­дят­ся ис­пы­та­ния об­раз­цов че­рез 8 ча­сов от фор­мов­ки (мин. 2,1 МПа при тем­пе­ра­ту­ре 38°С и мин. 10,3 МПа при 60°С). Че­рез 28 су­ток та­кой це­мент не тес­ти­ру­ют.
Усад­ка	Не до­пус­ка­ет­ся	Для об­ус­трой­ства неф­тя­ных и га­зо­вых шахт под­хо­дят толь­ко без­у­са­доч­ные или рас­ши­ря­ю­щи­е­ся там­по­наж­ные це­мен­ты.

*В процессе монтажа и на начальных стадиях твердения твердые и крупные фазы раствора оседают вниз, оставляя мелкие компоненты и воду на поверхности. Чтобы определить седиментационную устойчивость, принимают во внимание данный параметр.

Специфика применения

Тампонажные цементы предназначены для обустройства внешней защиты нефтеносной трубы. От состояния бетонного (цементного) слоя во многом зависит качество службы канала, как и продолжительность его эксплуатации. По этой причине к данному типу цементов предъявляют высокие требования.

Замес и заливка раствора происходят исключительно механическим способом, подача в шахту осуществляется насосной установкой. В связи с этим смесь делают подвижной, но не чрезмерно насыщенной водой.

Затвердевание происходит в условиях грунта, поэтому важен правильный выбор состава раствора, в частности – тампонажного цемента. Важно, что при гидратации и твердении не допускается усадка раствора и камня, иначе между стальной трубой и бетоном образуется прослойка, теряется функция защиты нефтеноса от окружающей агрессивной среды.

Применение цементов безусадочных и расширяющихся возможно по всей протяженности шахты и по отдельным ее частям при строительстве и ремонте.

Редко, но все же иногда тампонажные цементы применяют при ремонте коммуникаций из железобетона (канализации, вводные каналы).

В целях строительства домовых конструкций использование материала нецелесообразно – он обладает неподходящими характеристиками и дорого стоит, гораздо проще воспользоваться обычным или улучшенным портландцементом марок М300-М400, в зависимости от потребностей конструктивного элемента.

Источник