В последние годы сохранение объемов добычи углеводородов связано с разработкой тяжелых и высоковязких нефтей с вязкостью 30 мПа*с или 35 мм2 /с и выше [1–3] (в России – Волго-Уральский нефтеносный регион – доманиковая свита, баженовская свита в Западной Сибири, кадумская свита Закавказья; за рубежом – Баккен, Игл-Форд, Барнет и др.). Объем трудноизвлекаемых запасов углеводородов в России составляет около 55 % в общем объеме запасов российской нефти.
Из рис. 1 видно, что более 86 % от общих запасов высоковязких нефтей (ВВН) промышленных категорий, объем которых составляет 5,4 млрд т, приурочены к месторождениям, в первую очередь, Тюменской области, республик Татарстан, Коми и Архангельской области.
Несмотря на то, что геологические запасы высоковязкой нефти и битумов в России составляют от 6 до 75 млрд т, их добыча не активна. Это, в первую очередь, связано с тем, что она требует использования специальных дорогостоящих технологий; ВВН сложны в переработке, из-за высокой вязкости их сложно перекачивать, они плохо притекают к скважине и даже при больших запасах трудно отбирать большие дебиты.
В настоящее время направлениями выбора эффективных решений строительства скважин для промышленной добычи ВВН, в том числе и сланцевой нефти, являются разработка комплексных решений по увеличению и обеспечению их эффективного извлечение за счет применения технологии бурения скважин с горизонтальным окончанием, гидроразрыва продуктивного пласта и теплового воздействия на пластовые флюиды.
Промышленная добыча ВВН с использованием метода парогравитационного дренажа является актуальной, но при этом возникает научно-техническая проблема сохранения крепи скважины, а соответственно и ее долговечности, так как при нагнетании пара происходит нарушение герметичности крепи скважины и проч.
Предполагается, что одним из перспективных направлений повышения эффективности скважин при добыче высоковязких нефтей с высокой температурой воздействия является применение термостойких тампонажных растворов для цементирования скважины.
Они должны сохранять реологический профиль при различных внешних условиях, иметь предсказуемые сроки схватывания и обеспечивать короткое время структурообразования, загустевания и твердения. Сформированный камень должен быть с высокой стойкостью к воздействию агрессивных сред и тепловых методов воздействия на него. Традиционные портландцементы не соответствуют указанным требованиям уже при температурах свыше 90 °С, они подвержены усадке, растрескиванию, ранней коррозии и проч. [4].
Среди большого ассортимента вяжущих термостойких материалов пристального внимания заслуживает направление применения доменных и металлургических шлаков. Поэтому шлаки являются потенциальным сырьем при замещении части вяжущего материала-композиции для крепления скважин с высоковязкими нефтями.
Проанализированы следующие материалы, используемые в стране для крепления скважин: никелевые кислые шлаки Побужского никелевого завода, кислый доменный отвальный шлак Алчевского металлургического комбината; доменный гранулированный шлак ООО «Мечел-Материалы» Челябинского металлургического комбината и близлежащие к Тюменской области, шлаки Алапаевского металлургического завода и Нижнетагильского металлургического комбината, производящие ванадиевые шлаки, которые являются не отходами производства, а товарной продукцией.
Тампонажный материал на основе кислого никелевого шлака-отхода Побужского никелевого завода Кировоградской области выпускался Днепродзержинским цементным заводом УССР. Шлаков, аналогичных никелевому, в России нет, тампонажный цемент с добавлением данного вида шлака в настоящее время (из-за внешнеэкономических отношений с Украиной) не производится.
Доменный гранулированный отвальный шлак Алчевского металлургического комбината до 2009 года активно использовался при разработке тампонажного цемента и, соответственно, цементирования нефтегазовых скважин, в настоящее время комбинат поставляет шлак для реконструкции и ремонта дорог ЛНР.
Ванадиевый шлак Алапаевского металлургического завода и Нижнетагильского металлургического комбината представляет собой полупродукт, который используют для производства ванадийсодержащих продуктов, включающий оксиды ванадия, железа, кальция и др., по этой причине при цементировании скважин его не применяют.
Использование доменных шлаков обусловлено составом, схожим с составом портландцементного клинкера, при меньшем содержании оксида кальция в химическом отношении и большем содержании двухкальциевого силиката β-модификации в минералогическом отношении. Гидравлическая активность шлака значительно возрастает в результате его грануляции – при быстром охлаждении и с увеличением значений обоих модулей. Чем выше модуль активности, тем быстрее твердеет шлак в измельченном состоянии. Надо иметь в виду, что шлаки одного и того же химического состава могут быть активными или почти совсем не обладать способностью образовывать гидравлическое вяжущее вещество. Это зависит от структуры шлака, получаемой охлаждением [5].
Для обоснования применения доменного гранулированного шлака, как части цементного клинкера, были проведены лабораторные и научные теоретические изыскания – сравнительный анализ сроков твердения шлакоцементных составов, исследования по изучению процессов структурообразования в цементных пастах и растворах, а также их эксплуатационных свойств как стандартными, так и специальными лабораторными и аналитическими методами. На основе полученных данных сделан выбор добавок в тампонажные цементы для регулирования необходимых свойств при цементировании. Поскольку они в основном и обуславливают выбор тех или иных рецептур тампонажных цементов, которым в целом не соответствует ни один из цементов, выпускаемых отечественной промышленностью.
Проведенные еще в прошлом веке исследования показали, что на кислых шлаках можно получить вяжущее вещество, на основе которого цементный камень имеет необходимую прочность. Оптимальные составы изученных вяжущих приведены в табл. 1.
По представленным в табл. 1 данным был выбран наиболее доступный для Западной Сибири доменный гранулированный шлак ООО «Мечел-Материалы» Челябинского металлургического комбината. Дополнительно учтено наличие у предприятия вертикальных валковых мельниц LM53.3, обеспечивающих возможность помола до 450÷600 м2/кг (в шаровых мельницах помол возможен до удельной поверхности 250÷350 м2/кг) [6, 7].
Доменный шлак данного комбината – это продукт, состоящий в основном из силикатов и алюминатов кальция. Он получается при производстве чугуна в доменной печи в виде расплава и затем охлаждается. Химико-минералогический состав шлака и способ его охлаждения определяют физико-механические свойства шлаковых цементов, сроки схватывания, плотность, растекаемость, прочность образующегося камня и т.д. При быстром охлаждении водой, паром или воздухом образуется гранулированный шлак, при медленном – комовый. Высокую гидравлическую активность доменный шлак приобретает при очень быстром охлаждении или грануляции водой.
Известно, что шлаковые цементы твердеют при повышенных температурах, обычно свыше 120 °С, что значительно ограничивает возможность их применения [8]. С ростом температуры окружающей среды увеличивается растворимость компонентов тампонажной смеси, меняется состав жидкой фазы, в более ранних стадиях появляются стабильные гидратные «образования».
Для подтверждения предположения о возможности использования челябинского доменного гранулированного шлака проанализированы сведения об изменении сроков схватывания шлаковых растворов с различным содержанием портландцемента (табл. 2).
Установлено, что шлаковый раствор при температуре 22 °С весьма медленно схватывается. Добавление 10 % портландцемента приводит к резкому сокращению сроков схватывания раствора, причем, основную роль при этом играет портландцемент [9]. Дальнейшее увеличение его количества в растворе способствует незначительному последовательному ускорению процессов схватывания.
Наиболее активный катализатор твердения шлаков– температура. При температурах выше 120 °С даже малоактивные минералы способны к гидратации и твердению, поэтому основное применение шлаковые цементы находят при цементировании высокотемпературных скважин [10].
Прочностные свойства были оценены на балочках-образцах пяти разных составов, полученных из цементного теста нормальной плотности (1750–1850 кг/м3). Полученные балочки были испытаны на прочность на сжатие. Твердение осуществлялось в среде, представленной технической водой по режиму: подъем температуры до максимального предела (20–120 °С) в течение двух часов, выдержка при данной температуре в течение 24, 48, 72 часов, 10 и 28 суток. Молотый доменный шлак вводился в количестве: 10–90 % от массы клинкера ПЦТ–I–G–CC-1, композиция смеси тщательно перемешивалась.
Средние значения проведенного испытания приведены на рис. 2.
Все исследуемые образцы показали низкую прочность на сжатие после первых суток твердения, в последующие сутки твердения у образцов цементов с добавкой шлака наблюдается ускорение набора прочности. Цементный камень с добавлением 20 % доменного шлака набирает оптимальную прочность на сжатие уже при 100 °С. Стабильный рост прочности во времени свидетельствует о преобладании конструктивных процессов формирования структуры над деструктивными при проведенном испытании.
Полученные результаты являются подтверждением выдвинутых ранее теоретических предпосылок о необходимости формирования структуры камня, преимущественно представленной низкоосновными продуктами гидратации по малостадийному процессу и явились основанием дальнейшей разработки теоретических и практических рекомендаций повышения эффективности использования тонкодисперсного доменного гранулированного шлака. В отличие от металлических шлаков челябинские шлаки обладают достаточно стабильным составом, который не варьируется от места и условий расположения шлаковых отвалов [11].
Известно, что шлак имеет высокие значения плотности и поэтому склонен к явлениям седиментации, в особенности на ранних стадиях твердения, когда количество «свободной» воды в растворе достаточно велико. Данный негативный фактор вполне реально понизить за счет увеличения тонкости помола исходных компонентов, например, в имеющихся вертикальных валовых мельницах. В них максимум удельной поверхности можно обеспечить порядка 500–600 м2/кг по Блэйну. Продукт твердения шлакопортландцемента, содержащего, кроме клинкера, доменный гранулированный шлак в количестве 20–40 % отличается повышенной коррозионной стойкостью к солям и сульфатам, замедленным схватыванием и твердением при незначительных температурах; при высоких температурах интенсивность структурообразования значительно возрастает [12].
Таким образом, установлено:
– тампонажные растворы на основе разработанного вяжущего вещества характеризуются более низкой водопотребностью и имеют меньшую величину водоотдачи по сравнению с известными;
– сформированный цементный камень на основе доменных гранулированных шлаков, замешанных водой, в течение испытаний (до 180 суток) непрерывно набирает прочность, в то время как в образцах на основе портландцемента для горячих скважин (ПЦТ) после 28 суток твердения наблюдался спад прочности;
– изложенное позволяет считать, что в процессе цементирования, доставки тампонажного раствора в интервалы цементирования в условиях повышенных температур возможны осложнения, связанные с коррозией цементного камня для добычи высоковязких нефтей и, соответственно, термическим воздействием на крепь скважины; при этом маловероятно формирование каналов, трещин и т.д., в формирующемся камне и его контактных зонах с обсадной колонной и горной породой это сведено к минимуму.
