УДК 666.94

Строительство и Архитектура/4.Современные строительные материалы

А.Т.Сулейменов, Н.Б.Азимова, А.С.Наукенова, В.И.Кондратенко, М.К.Серкебаев

Южно-Казахстанский государственный университет им. М.Ауезова

Тампонажно-бариевые цементы из побочных продуктов Промышленности

Настоящее исследование имело целью разработку состава специального цемента для тампонирования так называемых газирующих скважин, обладающего повышенной плотностью пульпы при затворении его водой.

Условия применения и службы цементов в нефтяных скважинах резко отличаются от условий применения их в строительстве рядом специфических особенностей.

Проходка скважины на нефтяных промыслах в настоящее время производиться путем вращательного бурения вместо применявшего ранее ударного способа. Разбуривание породы осуществляется специальным долотом. Получающаяся при этом мелкая разбуренная порода удаляется циркулирующим в скважине глинистым раствором, играющим весьма важную роль в процессе бурения и в подготовке скважины к тампонированию. Раствор приготовляется из глин, обладающих высокой коллоидальностью и способных поэтому удерживать разбуренную породу во взвешенном состоянии. Плотность глинистого раствора для тампонирования обычных нефтяных скважин составляет 1,22-1,24г/см³.

При подготовке газирующей скважины к тампонированию с целью уравновешивания давления газа для промывки скважин и создания изолирующего глинистого слоя на ее стенках применяют утяжеленный глинистый раствор с плотностью 2,2-2,3г/см³. Тампонирование такой скважины производят цементной пульпой, плотность которой должна быть не ниже плотности глинистого раствора. В противном случае в затрубном пространстве, на участках соприкосновения с цементной пульпой, глинистый раствор вследствие более высокой плотности может проникнуть в цементную пульпу на значительную глубину и тем самым значительно снизить прочность цементного камня, а иногда и совершенно разрушить его структуру. Примесь глины в количестве 50% снижает прочность цементного камня более чем в 20 раз.

Ослабление прочности цементного кольца в затрубном пространстве может привести к обводнению скважины. Это влечет за собой большие материальныe потери вследствие резкого уменьшения дебита нефти, необходимости производства дополнительных работ по перекрытию вод и т.д. Поэтому для тампонирования так называемых неспокойных (газирующих) скважин необходимо применять специальный тампонажный цемент с повышенной плотностью пульпы. Специфичность условий применения тампонажного цемента заключается в том, что для тампонирования применяется цементная пульпа без введения каких-либо инертных составляющих с водоцементным отношением 0,45-0,5, обладающая необходимой подвижностью, которая дает возможность перекачивать ее насосом. Затвердевший цементный камень должен иметь достаточно плотную структуру и отличаться высокой водонепроницаемостью. [1]

Следует отметить также температурные условия схватывания и
твердения цемента. Почти во всех нефтяных районах имеются
скважины с повышенной температурой в забое. В некоторых из них
температура достигает 100°С и выше в зависимости от глубины и геометрического градиента местности. Как известно, с повышением температуры сроки схватывания цементов резко сокращаются (табл. 1).

Таблица 1. Сроки схватывания тампонажного цемента

Цемент	Сроки схватывания, ч-мин
	При температуре 20^0С		При температуре 75^0С
	начало	конец	начало	конец
Шымкентский	5-30	7-15	1-00	1-50
Кантский	6-30	7-50	0-50	1-10

Как видно из данных таблицы, при 75°С начало схватывания тампонажных портландцементов наступает через 50—60 мин, Этот срок явно недостаточен для проведения процесса тампонирования, длительность которого составляет не менее полутора часов. Поэтому цементная промышленность в настоящее время выпускает специальный цемент для тампонирования "горячих" скважин с температурой в забое до 75°С. Производство такого цемента налажено на цементных заводах. Для тампонирования "горячих" скважин разработан специальный замедлитель схватывания, который позволяет применять в условиях повышенных температур различные тампонажные цементы, предназначенные для "холодных" скважин.

В соответствии с различными условиями применения тампонажных цементов, в ГОСТ 1581—78 предусматриваются различные технические условия на тампонажный цемент для "холодных" (с температурой до 40°С) и "горячих" (до 75°С) скважин.

В результате выполненных работ установлено, что при испытании образцов в автоклаве повышение давления до 9,5 МПа сопровождается некоторым ростом прочности цементных образцов. Влияние буровых вод на затвердевший цемент в нефтяных скважинах зависит от их химического состава. Известно, что в большинстве нефтяных месторождений буровые воды содержат в основном соли щелочных хлоридов, которые не оказывают отрицательного влияния на портландцемент. Однако в буровых водах некоторых нефтяных районов содержатся также сульфаты. В условиях повышенных температур они не оказывают отрицательного действия на портландцемент, но при температуре ниже 40°С их влияние носит агрессивный характер. В этом случае следует применять тампонажный цемент специального минералогического состава. [2]

Таким образом, многообразие видов нефтяных скважин cвязанное с этим многообразие условий их тампонирования и службы требует применения специальных тампонажных цементов.

Из всех известных вяжущих веществ, выпускаемых в настоящее время, портландцемент обладает наиболее высокой плотностью. Тампонажные портландцемента, изготовляемые на заводах Казахстана, имеют плотность цементного порошка в пределах 3,05-3,2 г/см³, цементная же пульпа, приготовленная с 50% воды, имеет плотность 1,85-1,87 г/см. Как уже отмечалось, такая плотность цементной пульпы не удовлетворяет условиям тампонирования газирующих скважин, где требуется применение глинистых растворов с плотностью 2,2-2,3.

Вопрос получения специального цемента с повышенной плотностью, который обеспечивал бы необходимую плотность цементной пульпы, может решаться в двух направлениях: введением в портландцемент инертных добавок, обладающих высокой плотностью, и получением специального утяжеленного цемента.

Первый путь уже нашел практическое применение при тампонировании газирующих скважин. Для утяжеления цементной пульпы к портландцементу добавляются те же тяжелые руды, что и для утяжеления глинистого раствора — гематит и барит.

Однако практика использования таких утяжеленных цементов выявила ряд отрицательных явлений. Из-за различной плотности портландцемента и добавки происходит расслоение цементной пульпы в затрубном пространстве еще до ее затвердевания, вследствие чего прочность цементного кольца по высоте становится неравномерной и в нем создаются ослабленные участки. Кроме того, применение гематита значительно ускоряет износ оборудования, а также способствует окислению всех железных и стальных частей, с которыми он приходит в соприкосновение.

Второй путь — получение специального утяжеленного цемента является предметом настоящих исследований.

Отсутствие каких-либо указаний в специальной литературе о способах получения вяжущего вещества, обладающего повышенной плотностью вызвало затруднения при выборе направления исследования. В результате рассмотрения природы существующих высококачественных гидравлических вяжущих веществ в качестве основы исследований для повышения плотности портландцемента было принято изменение его химического и минералогического состава за счет увеличения содержания некоторых минералов или введения новых.

Особое затруднение вызвал подбор вещества, способного войти в состав портландцементного клинкера и повысить его плотность. Под этим углом зрения в периодической системе элементов Д.И.Менделеева были рассмотрены элементы, способные образовывать соединения, аналогичные или близкие к минералам, составляющим портландцементный клинкер. Этот анализ показал, что из всех тяжелых элементов наиболее пригодными являются железо и барий, так как они доступны и широко распространены.

Среди минералов, составляющих портландцементный клинкер, наибольшую плотность имеют железистые соединения (табл.2).

Таблица 2. Плотность минералов портландцементного клинкера

Минерал	Плотность, г/см^3
Трехкальциевый силикат	3,25
β-двухкациевый силикат	3,27
Трехкалициевый алюминат	3,04
Четырехкациевый алюмоферрит	3,77
Двухкациевый феррит	3,98

Исходя из данных таблицы, повысить плотность цемента можно путем увеличения в его составе содержания четырехкальциевого алюмоферрита и введения двухкальциевого феррита.

Учитывая, что введение в состав шихты портландцемента оксида железа в виде пиритных огарков или железной руды является уже освоенным в цементной промышленности, этот путь был намечен к исследованию в первую очередь.

Одно из направлений исследований - частичная замена оксида кальция в портландцементе оксидом бария. Барий, являясь щелочноземельным металлом второй группы периодической системы Д.И.Менделеева, химически сходен с кальцием, однако является более сильным основанием. Например барий так же, как и натрий, разлагает воду при обычной температуре. Плотность оксида бария в 1,7 раза выше, чем плотность оксида кальция (плотность СаО - 3,32, ВаО - 5,74 г/см³), и введение ее в состав портландцемента может дать значительный эффект.

Таким образом, полученные тампонажно-бариевые цементы из побочных продуктов промышленности вполне могут быть использованы для тампонирования «горячих» скважин.

Литература

1. Специальные цементы. /Кузнецова Т.В., Сычев М.М., Осокин А.П., Корнеев В.И., Судакас Л.Т.-Санкт-Петербург: Стройиздат, 1997.

2. Колбасов В.М., Леонов И.И., Сулименко П.М. Технология вяжущих материалов. — М: высшая школа, 1987.