Тампонажные растворы
РЕФЕРАТ. В статье сравниваются требования к тампонажным цементам, предъявляемые российскими ГОСТами и спецификациями Американского института нефти (API). Показана важность проведения испытаний тампонажных растворов с учетом рекомендаций API.
Ключевые слова: тампонажный цемент, цементирование.
Keywords: oil-well cement, cementing.
Цементирование скважин — наиболее ответственный этап их строительства. Значение работ по цементированию обуслено тем, что они являются заключительным процессом, и неудачи при их выполнении могут свести к минимуму успехи предыдущей работы, вплоть до потери скважины. Некачественное цементирование скважин часто является единственной причиной газопроявлений, грифонообразований и открытых нефтяных и газовых фонтанов. Оно приводит к перетокам нефти и газа в другие пласты, имеющие меньшее давление, и к обводнению продуктивных горизонтов. Как показывает практика, качество приготавливаемых и закачиваемых в скважину тампонажных растворов, успех проводимых операций зависят в первую очередь от умения и знаний обслуживающего персонала и подбора правильной рецептуры для конкретных условий скважин.
В России для испытаний тампонажных растворов пользуются как российскими ГОСТами, так и спецификациями Американского института нефти (API), но в связи с увеличением числа сложных с точки зрения строительства скважин (глубокое бурение, горизонтальные отводы, разработка многоствольных скважин, бурение в трудных геологических условиях и т. д.) все больше компаний предпочитают выполнять тестирование в соответствии с регламентирующими документами API, где подробно описаны все исследования тампонажных растворов как в стандартных условиях, так и при повышенных температурк и давлении.
Классификация API предусматривает девять классов цементов (A—J), применяемых в зависимости от глубины цементируемой скважины и условий, в которых будет находиться материал.
А. Цемент может применяться на глубинах до 1830 м, не обладает специальными свойствами, выпускается только обычного типа.
В. Цемент используется на глубинах до 1830 м, выпускаются его разновидности со средней и высокой стойкостью к сульфатной агрессии.
С. Цемент предназначен для применения на глубинах до 1830 м, когда требуется быстрый рост прочности в ранний период твердения. Выпускаются разновидности со средней и высокой стойкостью к сульфатной агрессии.
D. Цемент применяется на глубинах 1830—3050 м в условиях умеренно высоких температур и давлений, обладает средней стойкостью к сульфатной агрессии.
Е. Цемент предназначен для применения на глубинах 3050—4270 м в условиях высоких температур и давлений. Выпускаются разновидности со средней и высокой стойкостью к сульфатной агрессии.
F. Цемент используется на глубинах 3050—4270 м в условиях сверхвысоких температур и давлений. Выпускаются разновидности со средней и высокой стойкостью к сульфатной агрессии.
G. Цемент предназначен для применения в качестве основного материала на глубинах до 2440 м, с добавками ускорителей и замедлителей может использоваться в более широком интервале глубин и температур. В качестве добавок при производстве могут быть совместно измельчены или смешаны с клинкером данного цемента сульфат кальция или вода, или то и другое. Выпускаются разновидности со средней и высокой стойкостью к сульфатной агрессии.
Н. Цемент применяется в качестве основного материала до глубины 2440 м, с добавками ускорителей и замедлителей может использоваться в более широком интервале глубин и температур. В качестве добавок при производстве могут быть совместно измельчены или смешаны с клинкером данного цемента сульфат кальция или вода, или то и другое. Выпускаются разновидности со средней и высокой (опытные партии) стойкостью к сульфатной агрессии.
J. Цемент предназначен для применения на глубинах 3660—4880 м в условиях сверхвысоких температур и давлений, с добавками ускорителей и замедлителей может использоваться в более широком интервале глубин и температур. В качестве добавок при производстве могут быть совместно измельчены или смешаны с клинкером данного цемента только сульфат кальция или вода, или то и другое.
ГОСТ 1581-96 предлагает несколько иную классификацию, но данный стандарт унифицирован со спецификацией API 10А [1] в части цементов типов I-G и I-H, соответствующих по техническим требованиям цементам типов G и Н этой спецификации.
По вещественному составу тампонажные портландцементы подразделяют на следующие типы:
I — бездобавочный;
I-G — бездобавочный с нормированными требованиями при водоцементном отношении, равном 0,44;
I-H — бездобавочный с нормированными требованиями при водоцементном отношении, равном 0,38;
II — с минеральными добавками;
III — со специальными добавками, регулирующими плотность цементного теста.
Существуют также иные классификации цементов, но для правильного использования того или иного тампонажного раствора необходимо правильно их тестировать и исследовать.
На данный момент ГОСТы 26798.1—96 и 26798.2—96 рассматривают лишь несколько основных параметров тампонажных растворов, которые дают возможность стандартизировать и сравнивать их, но не позволяют правильно использовать в условиях строительства скважин.
Далее мы постараемся показать важность тестирования цементов по API Specification 10А и 10В, а не только по ГОСТ.
Согласно ГОСТу 26798.1—96 все тампонажные растворы должны проверяться по следующим свойствам:
• тонкости помола,
• растекаемости,
• плотности цементного теста,
• времени загустевания в атмосферных условиях,
• водоотделения,
• прочности.
ГОСТ 26798.2—96, распространяющийся на растворы I-G и I-Н и унифицированный с API по растворам G и Н, предусматривает испытания цементов только по следующим свойствам:
• консистенции и времени загустевания,
• водоотделению,
• прочности.
В то же время спецификация API 10 включает в себя не только указанные испытания, но и дополнительные, которые в некоторых случаях вносят решающий вклад в выбор правильного тампонажного раствора для конкретных условий.
Одним из таких испытаний является определение статического напряжения сдвига (СНС) или статического времени загелевания (Static Gel Strenght). Данная характеристика является важным параметром для разработки подходящей рецептуры тампонажного раствора при цементировании скважины в сложных условиях. К таким условиям могут относиться: возможность обводненности скважины на ранних стадиях эксплуатации; установка цементного моста; сложные режимы цементирования (когда необходимо поддерживать определенный режим течения кольцевого потока) и др. Определение СНС цементного раствора позволяет убедиться в том, что рецептура приспособлена для конкретной поставленной цели. Исторически сложилось, что СНС цементного раствора определяли методом с использованием ротационных вискозиметров Куэтта (рис. 1).
Рис. 1. Система Куэтта
В настоящее время используются приборы, позволяющие определять СНС различными способами: с помощью постоянного или прерывистого вращения и с помощью ультразвука. Последний способ удален из рекомендации API (API RP 10 B-6, раздел 7) для испытаний и в атмосферных, и в скважинных условиях. Отметим, что при разных конфигурациях устройства и способах определения СНС данные могут значительно различаться. Как показала практика, результаты ультразвукового метода совсем не коррелируют ни с результатами других методов, ни с практическими данными.
Определение времени загустевания (ТЗ, времени, в течение которого цементный раствор находится в прокачиваемом состоянии) тампонажного раствора предусматривается в ГОСТ для основных цементов только при испытаниях в атмосферных условиях, а для цементов I-G и I-Н — в термобарических условиях. Нередко производители и поставщики тампонажных смесей не определяют этот показатель, однако он является одним из основных исследуемых и моделируемых параметров тампонажного раствора. Значение ТЗ определяется в лаборатории для конкретного цемента, оно равно времени, в течение которого раствор находится в жидком состоянии, и служит критерием сравнения различных цементов, определяющим срок прокачиваемости.
Последствия неудачного цементирования весьма дорогостоящие: необходимо разбурить зацементированную внутреннюю полость обсадной колонны, провести повторное цементирование, которое обычно менее эффективно, чем первое, и требует дополнительных затрат времени. Поэтому следует предварительно, до самой операции, точно рассчитать общее время цементирования. Значение ТЗ должно быть равно общему времени цементирования плюс гарантированный запас, например 1 ч или 30 мин. Таким образом, ТЗ можно определить по уравнению
Тз = Тсм + Тп + Тв + Тп.п. + Тзап,
где Тп, Тсм, Тв, Тп.п., Тзап — соответственно время смешивания, приготовления, вытеснения, прохождения пробки и запасное.
Для измерения ТЗ цементных смесей при заданных забойных условиях используется консистометр высоких давления (до 207 МПа) и температуры (до 204 оС). Главной задачей является определение максимально допустимого времени закачивания цементного раствора, прежде чем он достигает консистенции, при которой дальнейшая закачка уже невозможна (период затвердевания).
Спецификации API включают в себя еще множество определяемых параметров, которые охватывают все возможные условия и ситуации, возникающие от начала производства цементной смеси до затвердевания цементного камня в скважинных условиях. Поэтому очень важно испытывать тампонажные растворы именно по рекомендациям API или по рекомендациям API совместно с российским ГОСТом, а не только по ГОСТу.
ЛИТЕРАТУРА
1. API Recomended Practice 10A (США. Технические условия на цементы и материалы для цементирования скважин). API Specification 10B-6.
2. Булатов А.И., Макаренко П.П., Будников В.Ф., Басарыгин Ю.М. Теория и практика заканчивания скважин (в 5 томах). М.: ОАО «Издательство «Недра», 1998.
3. Рабиа Х. Технология бурения нефтяных скважин. М.: Недра, 1989. 361.
4. ГОСТ 26798.1—96. Цементы тампонажные. Методы испытаний.
5. ГОСТ 26798.2—96. Цементы тампонажные типов I-G и I-H. Методы испытаний.
6. Калинин А.Г., Левицкий А.З., Мессер А.Г., Соловьев Н.В. Практическое руководство по технологии бурения скважин на жидкие и газообразные полезные ископаемые: Справочное пособие / Под ред. А.Г. Калинина. М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2001. 450 с.
7. IADC Drilling Manual. International Association of Drilling Contractors, 2000.
Автор: Н.А. Микульшин |
Рубрика: Специальные вяжущие |
Ключевые слова: тампонажный цемент, цементирование |