В настоящее время при цементировании обсадных колонн различного назначения в большинстве случаев применяются многокомпонентные тампонажные растворы с различными функциональными технологическими характеристиками, определяемыми назначением растворов и условиями их применения. Как правило, такие тампонажные растворы включают в качестве базового вяжущего материала тампонажные портландцементы типа ПЦТ 1-50, ПЦТ 1-100 или ПЦТ 1-G-СС-1 и различные виды добавок: облегчающие, утяжеляющие, понижающие водоотдачу, повышающие стабильность, обеспечивающие расширение камня в процессе твердения, армирующие тампонажный камень, снижающие его проницаемость и т. д. Основная масса добавок в большинстве случаев предварительно смешивается в сухом виде с тампонажным портландцементом, и затем смесь доставляется к месту проведения работ по цементированию обсадных колонн.
С этой целью зарубежными и российскими сервисными компаниями применяется схема приготовления сухих тампонажных смесей с использованием специальных мобильных цехов, оборудованных, как правило, пневматическими системами подачи и смешивания компонентов с последующей загрузкой готовой смеси в цементовозы. Преимуществом данной схемы является возможность оперативной корректировки соотношения компонентов сухой смеси на стадии приготовления в зависимости от условий цементирования.
Применение таких цехов в специфичных условиях Крайнего Севера бывает зачастую дорогостоящим и оправдано лишь в случае больших объемов работ. При строительстве небольшого количества скважин на отдаленных месторождениях или поисково-разведочных скважин, при наличии дорожного сообщения только в зимний период, использование таких цехов становится нерентабельным. Практикуемая при этом технология покомпонентного затаривания в бункер цементно-смесительных машин (или буллиты) портландцемента и добавок с последующей 2 – 3-разовой перегрузкой шнеками из бункера в бункер (или передувкой из буллита в буллит) достаточно продолжительна по времени, трудоемка и не обеспечивает требуемой однородности сухих смесей при добавке высокодисперсных материалов и нескольких компонентов в небольших количествах.
В то же время при строительстве большого количества скважин на одном месторождении, где при сопоставимых геолого-технических условиях для цементирования колонн одного диаметра предусматривается применение однотипных тампонажных составов, более рентабельным является централизованное изготовление многокомпонентных сухих смесей в районах с более развитой инфраструктурой и существенно меньшими энергетическими затратами.
В связи с этим в последние годы все большее распространение получает технологическая схема обеспечения многокомпонентными тампонажными смесями, предусматривающая доставку на основные базы хранения, месторождения (или отдельные скважины) приготовленных в заводских условиях смесей с необходимым соотношением всех компонентов для затворения тампонажных растворов заданной плотности и технологических характеристик. Как правило, при такой схеме лишь отдельные быстрорастворимые компоненты (типа ускоряющих или замедляющих добавок) вводятся непосредственно на месторождении в жидкость затворения в соответствии с результатами предварительного лабораторного анализа смеси, что обеспечивает требуемую корректировку основных технологических свойств тампонажного раствора в соответствии с условиями цементирования.
Впервые указанная технологическая схема начала применяться при цементировании газовых и газоконденсатных скважин на месторождениях Западной Сибири с 2005 г., когда ООО «ТюменНИИгипрогаз» совместно с ООО «Гранула» (в настоящее время – ЗАО «Гранула») были разработаны составы и отработана технология приготовления многокомпонентных унифицированных облегченных цементных смесей типа ЦТОС (по ТУ 5734-001-74364232-2006) и ЦТРО (по ТУ 5734-003-74364232-2006). В последующие годы были созданы и внедрены специальные цементные смеси типа ЦТРС-50, ЦТРС-100 (по ТУ 5734-007-74364232-2006) для приготовления тампонажных растворов нормальной плотности применительно к условиям низких, нормальных и умеренных температур, а также высокотемпературная цементная смесь типа ЦТТС (по ТУ 5734-004-74364232-2005) для цементирования обсадных колонн в интервалах повышенных температур. Указанные типы цементных смесей прошли промысловую апробацию, включены в проекты на строительство поисково-разведочных и эксплуатационных скважин и к настоящему времени применялись для цементирования более 2500 обсадных колонн.
Более сложные условия цементирования обсадных колонн при строительстве эксплуатационных скважин с низкими пластовыми давлениями на старых месторождениях, а также при строительстве поисково-разведочных скважин на ачимовские и юрские отложения, в условиях повышенных температур и аномально высоких пластовых давлений, обусловили необходимость целенаправленной разработки новых составов сухих многокомпонентных цементных смесей.
В 2011 г. была создана и апробирована модификация цементной смеси ЦТОС-3-100, которая по принятой классификации относится к легким типам смесей для приготовления тампонажных растворов с плотностью 1300±20 кг/м3. Основным назначением данной смеси является цементирование обсадных колонн в одну ступень, в условиях низких пластовых давлений или высоких рисков возникновения поглощений при большой протяженности колонн. Оптимальное сочетание в ЦТОС-3-100 тампонажного портландцемента и различных видов активных минеральных добавок позволяет получать тампонажный камень с необходимыми прочностными характеристиками не только в диапазоне умеренных, но и низких положительных температур.
Для легких цементов типа ЦТОС-3-50 (100) (ЦТРОС-3-100 Арм) не установлены требования по ГОСТ-1581-96 [1], так как данный нормативный документ не рассматривает облегченные цементы с плотностью менее 1400±40 кг/м3. Поэтому в качестве образца сравнения нами использовались цементы ПЦТ III-Об 4-50 (100), требования к которым установлены ГОСТ-1581-96. Кроме этого, учитывались требования РД 39-00147001-769-2000 [2] к прочным характеристикам облегченного тампонажного камня на момент окончания ОЗЦ. Результаты сравнительного анализа легких цементов типа ЦТОС (ЦТРОС) – 3-50 (100) и облегченных цементов типа ПЦТ III-Об 4-50, предусмотренных ГОСТ 1581-96, приведены в табл. 1.
Табл. 1. Сравнительные данные физико-механических показателей растворов и камня легких цементов ЦТОС -3-50 (100) и облегченных цементов ПЦТ III-об4-50 (100)
При этом следует особо отметить, что в диапазоне температур от 60°С до 100°С тампонажный камень с плотностью 1300 кг/м3 имеет показатели прочности, близкие к показателям прочности камня растворов нормальной плотности 1850 – 1900 кг/м3 (рис. 1). Учитывая указанные свойства, имеется возможность осуществления цементирования обсадных колонн в одну ступень в условиях АНПД с размещением тампонажного раствора одной плотности по всей длине.
Рис. 1. Изменение прочности камня во времени при твердении тампонажных растворов на основе цемента ПЦТ 1-100 и легкой цементной смеси ЦТРОС-3-100 (температура 75°С, давление 40 МПа)
К основным недостаткам такой технологии цементирования следует отнести: большую дифференциацию физико-механических характеристик камня тампонажных растворов различных составов и, соответственно, различия в степени изоляции по интервалам размещения; вероятность образования больших зон смешивания тампонажных растворов, ввиду достаточно большой разницы плотностей тампонажных растворов. Это обуславливает ухудшение изоляции затрубного пространства в интервале размещения зоны смешивания; недостаточно высокую скорость формирования камня облегченного тампонажного раствора с необходимыми прочностными характеристиками в интервале ММП, что требует устанавливать время ОЗЦ не менее 48 ч.
С целью устранения указанных недостатков и повышения качества крепления обсадных колонн предложено использование другой технологии одноступенчатого цементирования, заключающейся в размещении по всей длине затрубного пространства тампонажного раствора одной промежуточной плотности 1700 кг/м3, и разработан специальный состав цементной смеси [3]. Апробирование на Бованенковском месторождении подтвердило возможность цементирования в одну ступень всех обсадных колонн с применением тампонажных растворов с плотностью 1700 кг/м3, приготовленных на основе одного состава цементной смеси типа ГранЦЕМ-7 (ТУ 5734-003-80338612-2010).
Тампонажный материал ГранЦЕМ-7
Тампонажный материал ГранЦЕМ-7 представляет собой смесь тампонажного портландцемента, комплексной минеральной добавки КМД-О, стабилизирующих компонентов и специальных добавок для регулирования тампонажно-технических свойств – армирующих, кольматирующих, расширяющих, пластификаторов, газоблокаторов и др.В зависимости от вида специальных добавок (армирующих, кольматирующих, расширяющих) предусмотрен выпуск цементных смесей следующих марок:
ГранЦЕМ-7 – без ввода специальных добавок;
ГранЦЕМ-7-Арм – с армирующими добавками;
ГранЦЕМ-7- К – с кольматирующими добавками;
ГранЦЕМ-7- Р – с расширяющими добавками;
ГранЦЕМ-7 БГ – с газоблокирующими добавками.
Особенностью цементных смесей ГранЦЕМ-7 является возможность ввода в заводских условиях всех компонентов, в том числе и специальных газоблокирующих добавок, с сохранением технологичности смесей при транспортировке, затаривании и затворении. При этом полностью исключается необходимость выполнения дополнительных работ на месторождении или в цехах по смешиванию компонентов.
По прочностным характеристикам состав плотностью 1700 кг/м3 превышает аналогичные показатели тампонажного раствора нормальной плотности и облегченного тампонажного раствора, что позволяет сократить сроки ОЗЦ до 12 – 24 ч (рис. 2 и 3). Уверенный набор прочности в широком диапазоне температур (от -5 до 400С) позволяет использовать сухую цементную смесь ГранЦЕМ-7 для крепления направлений, кондукторов, промежуточных и эксплуатационных колонн.
Рис. 2. Прочность камня ГранЦЕМ-7 при различных температурах
Рис. 3. Сравнение прочности камня облегченного, нормальной плотности и тампонажного раствора с плотностью 1700 кг/м3 (на основе ГранЦЕМ-7) при температуре 20°С
Сухая цементная смесь ГранЦЕМ-7 не содержит в своем составе гигроскопичных компонентов и материалов, чувствительных к резкому перепаду окружающих температур, влажности и реакционно-способных к атмосферному кислороду и окиси углерода, что делает возможным ее продолжительное хранение в неотапливаемых складах, контейнерах или под навесом в условиях контакта с открытым воздухом продолжительное время.
Высокотемпературные утяжеленные цементы типа ЦТТС-Ут
Применительно к условиям цементирования обсадных колонн в скважинах, пробуренных на ачимовские и юрские отложения, дополнительно разработаны составы высокотемпературных утяжеленных цементов типа ЦТТС-Ут-0-150, ЦТТС-Ут-1-150, ЦТТС-Ут-2-150 и ЦТТС-Ут-3-150. Данные типы утяжеленных высокотемпературных цементов являются новой модификацией высокотемпературных смесей ЦТТС [4] и помимо вяжущего материала и компонентов для повышения термостойкости содержат утяжеляющие добавки и корректирующие материалы, позволяющие приготавливать тампонажные растворы с плотностью от 2000 кг/м3 до 2300 кг/м3 (± 30 кг/м3). Основные физико-механические показатели высокотемпературных утяжеленных цементов ЦТТС-Ут-0-150, ЦТТС-Ут-1-150, ЦТТС-Ут-2-150 и ЦТТС-Ут-3-150 при испытаниях по техническим условиям приведены в табл. 2.Табл. 2. Сравнительные данные физико-механических показателей растворов и камня термостойких утяжеленных цементов ЦТТС-Ут-0 (1, 2, 3)-150 и цементов ПЦТ III-Ут 0 (1, 2, 3) (температура 120°С, давление 40 МПа)
* Растекаемость и время загустевания определялись с добавкой 0,03 % НТФ (к массе ЦТТС) и 0,1 % Натросол EXR-250
Рис. 4. Изменение во времени прочности камня утяжеленных термостойких цементов ЦТТС-Ут-0 (1, 2, 3)-150 и ПЦТIII-Ут 2 (по ГОСТ 1581-96) (температура 120°С, давление 40 МПа)
Анализируя приведенные на рис. 4 графики, можно отметить явное отличие как по интенсивности изменения прочности камня в начальный период, так и по конечным значениям Rсж составов ЦТТС-Ут-3-150 в зависимости от типа применяемой утяжеляющей добавки. Более низкие значения прочности камня для состава с баритом обусловлены слишком высоким содержанием утяжелителя, необходимым для получения растворов с плотностью 2300 кг/м3. Более высокая плотность утяжелителя КГ-2 позволила оптимизировать соотношение компонентов смеси и обеспечить значительно более высокие прочностные характеристики камня и его термостойкость. Тем не менее, прочность камня термостойкого состава с баритом через 48 ч удовлетворяет требованиям, установленным ГОСТ 1581-96 к цементам типа ПЦТ III-Ут 3 и отраслевыми нормативными документами.
На рис. 4 приведены также результаты сравнительных испытаний стандартного утяжеленного состава с сопоставимой плотностью раствора, представляющего смесь ПЦТ I-G-CC-1 с баритом (типа ПЦТ III-Ут 2 по ГОСТ1581-96).
Как видно (рис. 4), для смесей тампонажного портландцемента и барита после первоначального быстрого набора прочности в течение первых 24 ч твердения в дальнейшем происходят стабилизация и последующее снижение Rсж. Такой характер изменения прочности свидетельствует о недостаточной термостойкости камня в результате реакций перекристаллизации при воздействии повышенной температуры и давления. Замена половины вяжущего материала на инертную добавку барит в какой-то мере способствует обеспечению лишь начальной термостойкости камня, но не позволяет формировать камень, стойкий к термокоррозии при длительном воздействии повышенной температуры. Для тампонажного раствора на основе ЦТТС-Ут-2-150 характерен менее интенсивный набор прочности камня в начальный период твердения (24 ч), однако по истечении 48 ч его прочность сопоставима с Rсж камня на основе смеси портландцемента и барита. Но основным и принципиальным отличием системы ЦТТС-Ут-2-150 являются отсутствие спада прочности камня в течение испытания и сохранение тенденции к дальнейшему росту прочности.
Недостаточная термостойкость камня из смесей портландцемента с баритом проявляется в явной форме при более высоких температурах. Испытаниями на ультразвуковом анализаторе установлено, что уже при 150°С стабильные значения прочности камня цементно-баритовой смеси сохраняются только в течение 42 ч, а затем отмечается более интенсивное (нежели при 120°С) снижение Rсж с сохранением тенденции к снижению прочности и в дальнейшем. Это подтверждает предположение о временном характере замедления процессов термодеструкции камня составов с повышенным (до 60 – 70%) содержанием барита, т. к. увеличение температуры до 150°С в данном случае можно рассматривать как увеличение продолжительности испытания при температуре 120°С.
В отличие от цементно-баритовой смеси тампонажный камень ЦТТС-Ут-2 (3)-150 не только сохраняет прочностные свойства при температуре 150°С в течение всего периода испытания, но и сохраняется тенденция к увеличению значений Rсж в дальнейшем.
На основании выполненных исследований и промысловых испытаний разработанные многокомпонентные цементные смеси заводского изготовления рекомендованы для цементирования обсадных колонн на месторождениях севера Тюменской области и могут быть использованы в других регионах с сопоставимыми условиями.
