книги из ГПНТБ / Шацов Н.И. Разобщение пластов в нефтяных и газовых скважинах (конструкции, крепление и цементирование скважин)

Чтобы обеспечить более надежные результаты цементирования скважин, следует разработать методику испытаний начала и конца схватывания цементных растворов в условиях, идентичных условиям, в которых находится цементный раствор в скважине.

Рис. 43. Консистометр для определения времени схватыва­ ния цементных растворов при высоких температурах и при перемешивании раствора.

1 — термостат; 2 — плечо груза; з — мешалка; 4 — обычная цепная передача; 5 — крепление крышки к емкости; в — емкость для раствора;

11 — индикатор со стрелкой; 12 — шкала вязкости; 13 — мотор.

§ 3. О водо-цементном отношении

Чтобы обеспечить прочность цементного камня и долго­ вечность его службы в скважине, желательно приготовлять цементный раствор с минимальным водо-цементным отноше­ нием.

Для полной гидратации цемента достаточно всего лишь 25— 30% воды от его веса. Чем больше В : Ц, тем больше остаток воды, тем больше пористость цементного камня. Но так как существенное влияние оказывает прокачиваемость цементного раствора, то практически на всех промыслах СССР обычно при­ меняют цементный раствор с водо-цементным отношением в пре­ делах 0,4—0,5. Нижний предел В : Ц ограничивается текучестью цементного раствора, верхний предел — снижением прочности цементного камня и удлинением срока схватывания. Потребное количество воды, обеспечивающее нормальную растекаемость, определяют при помощи конуса АзНИИ.

123

§ 4. Специальные цементы и цементы для глубоких скважин

Портланд-цементы

Портланд-цементы классифицируются в зависимости от меха­ нической прочности и обозначаются цифрами, соответствующими величине временного сопротивления на сжатие в результате

Химический состав этих цементов примерно одинаков и разли­ чаются они температурой обжига, тонкостью помола и тщательным подбором сырья.

Гель-цементы

Гель-цемент может дать значительный эффект при цементи­ ровании скважин, в частности, существенно сократить расход тампонажного цемента. Гель-цемент образуется в результате добавки от 2 до 10% бентонита к обычному портланд-цементу в зависимости от качества бентонита. В результате резко изме­ няются основные параметры раствора и камня из исходного цемента: его консистенция, тиксотропия, пластичность, усадка, прочность, водонепроницаемость и др. [53, стр. 65].

Так как добавка 3—4% бентонита чрезвычайно сгущает цементные растворы, то при водо-цементном отношении 0,4—0,5 их уже нельзя прокачать. Поэтому В : Ц должно быть увеличено до 0,7—0,8.

По внешнему виду гель-цементный раствор, даже при водо­ цементном отношении 0,8, кажется очень густым, но хорошо прокачивается насосами, так как легко разжижается и очень быстро застудневает (тиксотропно) в покое или при замедлении движения.

В отличие от обычного цементного раствора гель-цементный раствор, застудневая, не обтекает островки глинистого раствора в затрубном пространстве, а как густая вязкая масса выжимает их. Характерными чертами течения гель-цемента в затрубном пространстве являются отсутствие языков и поршнеобразное течение всей массы. Вследствие своей пластичности он полностью заполняет затрубное пространство.

Качество изоляции пластов улучшается благодаря равномер­ ному заполнению затрубного пространства, резкому уменьшению отделения воды, уменьшению усадки и большей плотности це­ ментного камня.

Уменьшение водоотделения связано с физико-химическим действием бентонитовой добавки.

Усадка гель-цементного камня при твердении приблизительно в 10 раз меньше, чем усадка камня из обычного цемента. При

124

водо-цементном отношении 0,5 камень из портланд-цемента дает усадку 7,8%, а камень из гель-цемента при водо-цементном отношении0,7 дает усадку только 0,75%. Это обстоятельство обу­ словливает большую герметичность цементного кольца.

Набухающий бентонит придает особо плотную структуру цементному камню, тем самым улучшая его водонепроницаемость и солестойкость. Действие бентонита в этом отношении анало­ гично действию гидравлических пуццолановых добавок.

Прочность структур гель-цемента возрастает за первый час после затворения в 8—10 раз, в то время как у обычного цемент­ ного раствора она возрастает лишь в 1—1,5 раза. При водо­ цементном отношении 0,5 гель-цементный камень после трехсу­ точного твердения превышает на 20% прочность камня из порт­ ланд-цемента. Однако по мере увеличения водо-цементного отно­ шения прочность падает по гиперболическому закону.

Хотя при водо-цементном отношении 0,7—0,8 цементный камень оказывается менее прочным, это не снижает ценности гель-цемента.

Добавка хлористого кальция позволяет почти в 2,5 раза ускорить схватывание, гель-цементного камня по сравнению со схватыванием камня из портланд-цемента, несмотря на добавку 3,7 % бентонита и повышение водо-цементного отношения с 0,5

до 0,7.

Перечисленные положительные свойства гель-цемента делают его весьма перспективным для цементирования в пористых и трещиноватых породах при борьбе с поглощениями глинистых растворов, когда обычные цементные растворы уходят в пласт. Не менее полезно применение гель-цемента для цементирования продуктивных горизонтов с низким давлением.

Гель-цемент эффективен и при цементировании в условиях перемежающихся водо-нефтяных контактов, когда обычный це­ ментный раствор также может проникать глубоко в продуктивную толщу.

Гель-цемент может быть приготовлен непосредственно на буро­ вых из тампонажного цемента и бентонита в порошке при помощи цементосмесительных машин.

Волокнистые цементы

Втех случаях, когда в продуктивном горизонте низкое давле­ ние, обычный цементный раствор, проникая в пласт, часто пре­ кращает доступ нефти к забою скважины.

Вподобных случаях целесообразнее применять цементный раствор, который бы мог разобщить водоносный и нефтеносный

горизонты между собой, но не проникал бы глубоко в пласт. Этим условиям удовлетворяет волокнистый цемент. В качестве волокнистой добавки к цементу могут служить асбестовые отходы в количестве от 2% по весу, а также отходы текстильного произ­

125

Кислоторастворимые цементы

Кислоторастворимый цемент целесообразно применять при цементировании:

1) скважин, в которых в дальнейшем намечено простреливать колонну обсадных труб и обрабатывать соляной кислотой затвер­ девший цементный камень, чтобы очистить и расширить дыры, простреленные в пласте;

2)хвостовиков (фильтров), нуждающихся в последующей обработке соляной кислотой в связи с наличием цементного камня, препятствующего добыче;

3)колонны обсадных труб в тех случаях, когда лежащие выше продуктивные горизонты перекрываются с учетом последующего их использования путем прострела дыр; в этом случае соляная кислота используется для наиболее полного дренирования пласта.

Растворимость этого цемента в кислоте значительно выше, чем обычного тампонажного цемента. Так, например, если обыч­ ный цемент, находясь под действием кислоты, в течение 25 мин. теряет в весе в результате растворения только 10%, то кислото­ растворимый цемент в тех же условиях теряет в весе 70%.

Количество цемента, которое растворяется в единице объема соляной кислоты, зависит от площади контакта кислоты и цемент­ ного камня. Чем меньше площадь контакта, тем меньшее коли­ чество цементного камня растворяется. Кислоторастворимый цемент имеет высокую начальную прочность, благодаря чему можно сократить период твердения цементного камня.

Вторым преимуществом этого цемента является меньшая усадка его при схватывании по сравнению с обычным цементом. Избыточная усадка цементного камня способствует трещинова­ тости, нарушает его связь с пластом, в результате чего цементный

Пуццолановые цементы

Исследования, проведенные рядом научно-исследовательских нефтяных институтов, показали, что применение гидравлических (пуццолановых) добавок может связать свободную известь в до­ статочно устойчивое соединение и тем самым сообщить раствору из портланд-цемента повышенную стойкость как в отношении выще­ лачивания пресными водами, так и по отношению к вредному действию минерализованных вод. Пуццолановый портланд-цемент получают путем совместного помола портланд-цементного клин­ кера и кислой гидравлической добавки (пуццолан, *трепел

126

диатомит и др.), вес которой от общего веса смеси подбирается

взависимости от ее качества.

Вкачестве пуццолановой гидравлической добавки может применяться вулканический туф. Следует иметь в виду, что гидравлические добавки не представляют собой вяжущих веществ, способных к самостоятельному твердению.

Основное влияние гидравлических добавок объясняется тем, что входящие в их состав кремнезем и глинозем вступают во

взаимодействие с продуктами гидратации портланд-цементов, т. е. с выделяющимся при твердении гидратом окиси кальция Са(ОН)2.

Ряд исследований, проведенных в цементной промышленности в условиях действия сильно минерализованных вод, показали, что пуццолановые цементы являются наиболее устойчивыми.

В АзНИИ были проведены опыты по выявлению свойств цементных растворов с кислой гидравлической добавкой в виде пемзы из месторождения близ с. Ани Армянской ССР. Результаты опытов показали, что такие растворы вполне пригодны для цемен­ тирования скважины (оптимальной добавкой является введение пемзы в количестве 15—20%).

Для применения этих цементов при цементировании в нефтя­ ных и газовых скважинах необходимо понизить вязкость раство­ ров и ускорить процесс их твердения путем добавок соответствую­ щих реагентов. В связи с развитием в США глубокого бурения цементированию «горячих» скважин посвящено много исследова­ ний. Наибольший интерес представляет разработка нового со­ става цемента, в который входят пуццолан, гидратированная известь и добавки, регулирующие срок схватывания. Пуццолано­ известковистый цемент предназначен для скважин с температурой свыше 60°. Этот цемент дал хорошие результаты во время приме­ нения на промыслах в глубоких (6553 лг) скважинах с температу­ рой на забое до 204° С [61]. Благодаря введению соответствую­ щего количества химических замедлителей можно получить такой срок схватывания, который необходим для успешного цемен­ тирования конкретной скважины.

Замеры показывают также, что получаемый цементный раствор имеет высокую стабильность по отношению к температуре и не утрачивает своей прочности во времени.

В одной из скважин во время продавливания пуццолано­ известковистого раствора при температуре 150° произошла неожиданная остановка. Только примерно через 15 мин. удалось продолжить продавливание; однако раствор не превратился преждевременно в гель и не схватился, хотя в течение всего этого времени оставался в скважине неподвижным. Такое пове­ дение объясняется природой пуццолана, и безусловно, эти рас­ творы имеют преимущества при цементировании «горячих» скважин, а также скважин, которые будут буриться до глубины

7500—9000 лг.

127

Фирма Халлибуртон (США) выпускает цементы четырех типов под общей маркой «Poznux» для следующих температурных интервалов: 4,5—38° С, 24—60° С, 60—127° С и 60—204° С.

Шлако-портландские цементы

В борьбе с сильно минерализованными водами вместо обычного портланд-цемента целесообразно применять наряду с более стой­ ким пуццолановым цементом и шлако-портландский цемент. Шлако-портландскнй цемент является продуктом совместного помола портланд-цементного клинкера и гранулированного доменного шлака, получаемого при коксовой плавке чугуна.

Весовое содержание шлака в зависимости от его свойств в готовом продукте не должно превышать 85%. Количество гипса (CaSO42H2O), которое прибавляется при помоле для регулиро­ вания сроком схватывания, не должно превышать 5% к весу готового продукта.

Начало схватывания шлако-портландского цемента наступает не ранее 30 мин., а конец схватывания — не позднее 12 час. от момента приготовления раствора. Он выпускается с различной механической прочностью и соответственно ей маркируется

(150, 200, 250, 300, 400, 500). Тонкость помола у этого цемента такая же, как и у тампонажного портланд-цемента: остаток по весу составляет не более 2% при просеивании через сито с 900 отверстиями на 1 см2, а через сито с 4900 отверстиями на 1 см2 проходит не менее 80%.

Тампонажно-песчаные цементы

На месторождениях, где в разрезе имеются агрессивные воды (с содержанием солей более 5000 мг[л сухого остатка), следует применять тампонажно-песчаные, песчанисто-пуццолановые или солестойкие цементы. По данным Гипровостокнефти и других институтов при использовании тампонажно-песчаных цементов получили положительные результаты [53, стр. 38].

Тампонажно-песчаный цемент получается путем совместного помола тампонажного сульфатостойкого клинкера с песком, который прокаливают при 500° С и добавляют до 25% к весу клинкера.

На восточных нефтяных месторождениях используются тампо­ нажные клинкеры, выпускаемые заводом «Комсомолец» (Вольск), по своему минералогическому составу относящиеся к группе сульфатостойких и содержащие СзА — 3—5%, СзЗ — 58—64% при коэффициенте насыщения известью 0,89—0,92.

Песок может быть речной или карьерный и содержать не более 8% глинистых веществ [53, стр. 53].

При совместном помоле с клинкером песок, предварительно прокаленный и имеющий острогранные зерна, играет роль интен-

128

сификатора помола, благодаря чему достигается увеличение производительности мельниц.

Высокие механические показатели получаются при тонкости помола тампонажно-песчаного цемента до остатка не более 4% на сите с 4900 отверстиями на 1 см2.

Содержание гипса в тампонажно-песчаных цементах должно быть не менее 5%. При такой дозировке прочность увеличивается

цемента с ’заглпнизированными стенками скважины и устойчи­ вость цементного камня, находящегося в агрессивных средах, объясняются наличием в этом цементе острогранных мелких зерен песка.

Следует иметь в виду, что растворы из тампонажно-песчаного цемента характеризуются повышенной текучестью по сравнению с растворами из обычного тампонажного цемента. Поэтому он может обеспечить вполне удовлетворительную текучесть раствора при водо-цементном отношении 0,4—0,45. Прочность твердеющего цементного камня при этом через двое суток резко возрастает.

Из исследований установлено, что тампонажно-песчаный це­ мент по сравнению с обычным характеризуется более высокой солестойкостыо к воздействию пластовых вод. Так, например, образцы цементного камня из обычного тампонажного цемента через двое суток твердения имели прочность 40,4 кПсм?, а через 3 месяца последующего их храпения в пластовой воде сульфатонатриевого типа казанского яруса снизили свою прочность до 9,4 кГ/см2. При этом были отмечены внешние признаки кор­ розии п деформации в виде линейного расширения до 5%. В это же время образцы тампонажно-песчаного цементного камня, изготовленные из того же клинкера, имели через двое суток твер­ дения прочность, приблизительно равную 58,7 кГ/см2. Причем в об­ разцах не наблюдалось ни коррозии, ни деформации.

Представляют интерес испытания образцов цементного камня, приготовленных из обычного тампонажного цемента п из тампо­ нажно-песчаного цемента, при хранении их непосредственно в обводненных скважинах, куда они были спущены па глубину 315 м в специальных кассетах. Результаты испытаний показали, что образцы из тампонажного цемента разрушаются к 16—22 ме­ сяцам, в то время как образцы из песчаного цемента при хране­ нии до 4 лет имели прочность на разрыв 30 кГ/см2 при исходной прочности 12 кПсм2.

Н. Н. Беллер объясняет это тем, что в результате обмен­ ных реакций с солями пластовой воды происходит уплотнение кристаллообразований в образце [53, стр. 56]. Для этого периода характерны снижение водонепроницаемости и отсутствие объем­ ных деформаций. Создаваемый в цементном камне каркас из добавляемого песка имеет значительную силу сцепления с про-

гидратировавшими зернами цемента и не позволяет кристаллам, новообразующимся внутри тела, увеличивать объем затвердев­ шей массы. В итоге наблюдений в течение двухгодичной эксплуа­ тации большого количества скважин (свыше 40) на промыслах Башкирии, Куйбышевской и Пермской областей, а также и других районов установлены вполне удовлетворительные ре­ зультаты изоляции водоносных, газоносных и нефтеносных го­ ризонтов при цементировании эксплуатационных колонн раство­ рами из тампонажно-песчаного цемента.

Заслуживает внимания и тот факт, что если при транспорти­ ровании и хранении на промысловых складах тампонажные и пес­ чанистые цементы теряют свою активность через 2 месяца, то при введении 5% гипса (вместо 3%) при помоле клинкера стойкость активности цементов во время хранения возрастает до 3 месяцев.

Тампонажно-песчаный цемент, как безусадочный и устойчи­ вый материал в коррозийных средах, должен широко приме­ няться при цементировании скважин во всех районах Советского Союза.

Утяжеленные цементы

В процессе бурения в осложненных геологических условиях с утяжеленными глинистыми растворами необходимо при цемен­ тировании применять утяжеленные цементные растворы удель­ ного веса 2,25—2,35 г/сж3. Такие растворы могут быть получены при условии, если удельный вес утяжелителя не ниже 4,45 г[см? и с такой тонкостью помола, при которой на сите с 4900 отверстиями на 1 с.и2 остается не более 11% остатка (весовое соотношение цемента и утяжелителя 50 : 50 и 40 : 60) [88].

Следует учесть, что механическая прочность цементных растворов из утяжеленного цемента в процессе твердения к 3 ме­ сяцам снижается примерно на 30—50%.

Облегченные цементы

В ряде районов США, где наблюдаются в разрезе сравнительно небольшие относительные давления, цементирование скважин растворами с высоким удельным весом из обычного тампонажного цемента не давало положительных результатов. В затрубном пространстве не удавалось поднять столб цементного раствора до заданной высоты вследствие его поглощения. В этих случаях в тампонажный цемент добавляли диатомовую землю, благодаря чему удельный вес получаемого цементного раствора снижался до 1,3 г/см3 [82].

Нефте-цементные растворы

На ряде нефтяных месторождений, где в продуктивном го­ ризонте имеется подошвенная вода и где могут образоваться водяные конуса, практика борьбы с ними сводится в основном

130

к селективной изоляции водоносной зоны. Изоляцию осуществляют применением составов, способных твердеть в водонасыщенной среде

иоставаться жидкими и подвижными в нефтенасыщенной зоне.

Впороды с однородной зернистой структурой рекомендуется закачивать жидкие растворы, а в трещиноватые — густые пасто­ образные массы.

Вэтих случаях, а также для исправления неудачного цементи­ рования следует применять нефте-цементные растворы, удовле­ творяющие условиям селективной изоляции пластов.

Лаборатория тампонажа скважин ГрозНИИ провела иссле­ дования по разработке метода повторного цементирования нефте­ цементными растворами [48], в результате которых было уста­

новлено, что в присутствии поверхностно-активных веществ,, в частности крезола, тампонажные цементы хорошо смешиваются с дизельным топливом или нефтью. В результате добавки поверх­ ностно-активного вещества до 1% от веса цемента становится возможным вдвое увеличить содержание цемента в одном и том же количестве дизельного топлива и довести удельный вес смеси до 2,0 г/смъ.

Из цемента Карадагского завода при 30% дизельного топ­ лива и 0,5 % поверхностно активного вещества от веса сухого цемента получается однородный и весьма подвижный нефте-це- ментный раствор с растекаемостью по конусу АзНИИ 19—20 см. Для приготовления нефте-цементного раствора достаточной по­

свежеприготовленных нефте-цементных растворов, перемешанных в течение 10 мин., несколько увеличивается, а при дальнейшем повышении содержания крезола уменьшается. При продолжи­ тельном хранении растворов они разжижаются; через 16 час. растекаемость растворов с. малым и большим содержанием кре­ зола становится почти одинаковой. Следует отметить, что цемент­ ные растворы на нефтяной основе с добавками крезола сохра­ няют подвижность в течение продолжительного времени; неболь­ шое расслоение пх с выделением до 4% нефтепродукта наблю­ дается лишь через 1—2 месяца хранения. Однако путем непро­ должительного перемешивания однородность и подвижность рас­ творов восстанавливаются.

При температуре приблизительно 130° подвижность нефте­ цементных растворов не только не уменьшается, но даже не­ много увеличивается. Так, растекаемость раствора, содержа­ щего 30% дизельного топлива и 0,5% крезола, после выдержи­ вания его в течение 25 мин. при температуре 130° возрастает до 21,6 см (по конусу АзНИИ), тогда как при температуре 22° она не превышает 19,5 см.

Растворы на нефтяной основе после твердения характери­ зуются лучшими механическими свойствами по сравнению с обыч-

ними цементными растворами. Приготовленный из цемента Карадагского завода раствор с водо-цементным отношением 0,5 после твердения в течение 48 час. в автоклаве при температуре 140° и давлении 450 ат имел предел прочности па изгиб 19,5 кГ/см2 и на сжатие 65 кГ/см2. Приготовленный из того же цемента пефтецементный раствор, содержащий 30% дизельного топлива и 0,5% крезола, после взаимодействия с 30% горячей воды и выделения 3Д дизельного топлива через 48 час. твердения при тех же условиях имел предел прочности на изгиб 48 кГ/см2 и на сжатие 108 кГ/см2. Нефте-цемептный раствор из этого же це­ мента, но содержащий 30% песка и 33% дизельного топлива от веса сухого цемента, при испытаниях в аналогичных условиях »разрушился при напряжениях 51 кГ/см2 на изгиб и 135 кГ/см2 на сжатие.

Применение нефте-цементного раствора, по-видимому, даст возможность избежать некоторых затруднений, встречающихся при проведении повторного цементирования. С одной стороны, в связи с высоким содержанием твердой фазы после взаимодей­ ствия с пластовой водой такой раствор способен превратиться в высокопрочный камень. С другой стороны, поскольку нефте­ цементный раствор не содержит в своем составе воды, он может схватываться только при контакте с водой, поэтому при попадании раствора в продуктивный пласт, не содержащий воды, цементи­ рования не произойдет.

Для предохранения нефте-цементного раствора от смешива­ ния с чужой водой во время проведения повторного цементи­ рования необходимо до и после закачки раствора закачивать в заливочные трубки буферные пробки из нефти пли дизельного топлива. Нижнюю буферную пробку и часть раствора необхо­ димо выкачать в кольцевое пространство между заливочными трубами и колонной и лишь тогда задавлпвать нефте-цементный раствор в пласт.

Для облегчения выделения из раствора дизельного топлива

илучшего уплотнения образовавшегося в трещинах и пустотах цементного теста в процессе задавливания раствора следует несколько раз попеременно увеличивать давление до максимума

иснижать его до нуля.

После задавливания нефте-цементного раствора за колонну при правильном расположении буферных пробок и достаточном их объеме излишек раствора может быть вымыт обратной промыв­ кой. Нефте-цементный раствор должен твердеть не менее 48 час.

Согласно зарубежной практике после твердения цементного камня следует произвести повторную перфорацию колонны про­ тив продуктивного пласта.

Во время цементирования нефте-цементным раствором про­ давочные давления могут быть более низкими, чем при цементи­ ровании водо-цементным раствором. Нефте-цементный раствор желательно приготовлять на буровой.

132