Бесплатный фрагмент - Химические добавки для цементных растворов. Классификация, свойства и применение

«Химические добавки для цементных растворов»

Предисловие

Цементирование скважин — один из ключевых технологических процессов в нефтегазовой промышленности, определяющий долговечность, надежность и безопасность эксплуатации скважин. Качественное цементирование предотвращает межпластовые перетоки, коррозию обсадных колонн, газопроявления и другие осложнения, которые могут привести к аварийным ситуациям и значительным экономическим потерям.

В данной книге всесторонне рассмотрены классификация, физико-химические свойства и практическое применение химических добавок для цементных растворов. Особое внимание уделено современным технологиям, позволяющим адаптировать состав цементных систем под конкретные условия скважины — температуру, давление, минерализацию пластовых вод, наличие агрессивных компонентов (H₂S, CO₂) и другие факторы.

Материал книги основан на многолетнем опыте автора в области технологии цементирования, а также на актуальных научных исследованиях и практических наработках ведущих нефтегазовых компаний. Книга сочетает в себе глубину технического анализа с доступностью изложения, что делает ее полезной для широкого круга специалистов:

Инженеров-технологов, занимающихся проектированием и оптимизацией цементировочных растворов.

Специалистов сервисных компаний, осуществляющих цементирование скважин на месторождениях.

Научных сотрудников, исследующих новые материалы и технологии для нефтегазовой отрасли.

Студентов и аспирантов, изучающих нефтегазовое дело, строительные материалы и химические технологии.

Структура книги.

Каждая глава содержит:

Теоретическую часть с детальным объяснением механизмов действия добавок на молекулярном и макроскопическом уровнях.

Практические рекомендации по дозировкам, методам контроля качества растворов.

Реальные примеры из практики цементирования скважин, включая анализ успешных решений и типичных ошибок.

Нормативные и справочные материалы

При подготовке книги использовались следующие нормативные документы и стандарты:

Международные стандарты:

API Spec 10A (Specification for Cements and Materials for Well Cementing).

API RP 10B-2 (Recommended Practice for Testing Well Cements).

ISO 10426—1 (Petroleum and natural gas industries — Cements and materials for well cementing).

ГОСТы и российские нормативы:

ГОСТ 1581—96 (Портландцементы тампонажные. Технические условия).

ГОСТ 26798.1—96 (Цементы тампонажные. Методы испытаний).

РД 39-0147103-339-88 (Инструкция по цементированию скважин).

Отраслевые рекомендации:

Технические регламенты ведущих нефтегазовых компаний (Роснефть, Газпром, Лукойл).

Методические указания по применению добавок в сложных геологических условиях (например, для ММП или высокотемпературных скважин).

Цель книги — не только систематизировать знания о химических добавках, но и предоставить читателям практические инструменты для:

Оптимизации рецептур цементных растворов под конкретные условия.

Предотвращения типичных проблем (расслоение растворов, газопроявления, недостаточная прочность).

Повышения эффективности цементирования при снижении затрат.

Книга станет незаменимым руководством для специалистов, стремящихся к совершенствованию технологий и обеспечению безаварийной работы скважин на протяжении всего их жизненного цикла.

Содержание.

— Введение.

— Роль химических добавок в цементировании скважин.

— Основные требования к цементным растворам.

— Классификация химических добавок.

— Ускорители схватывания

— Замедлители схватывания

— Облегчающие и утяжеляющие добавки

— Диспергаторы

— Добавки для контроля водоотдачи и поглощения

— Стабилизаторы прочности

— Добавки для предотвращения миграции газа.

— Ускорители схватывания цементного раствора.

— Хлорид кальция (CaCl2): свойства, механизм действия, дозировки.

— Хлорид натрия (NaCi): применение в различных температурных условиях.

— Гипс и полугидрат сульфата кальция: контроль гидратации и ранняя прочность.

— Силикаты (Diacel A): особенности использования.

— Практические примеры и рекомендации.

— Замедлители схватывания.

— Органические и неорганические замедлители.

— Полимерные и комплексные добавки.

— Влияние температуры на эффективность замедлителей.

— Облегчающие добавки.

— Бентонит, силикаты, диатомовая земля.

— Вспученный перлит, пуццолан, гильсонит.

— Полые сферы и пеноцемент: технологии и преимущества.

— Утяжеляющие добавки.

— Железная руда, барит, песок.

— Роль диспергаторов в утяжеленных растворах.

— Диспергаторы

— Полимерные диспергаторы.

— Соль и её влияние на реологические свойства.

— Совместимость с другими добавками

— Добавки для контроля водоотдачи и поглощения.

— Полимерные добавки (ГЭЦ, КМЦ, ПАА)

— Микро и нанодисперсные наполнители.

— Латексные добавки и синтетические смолы.

— Стабилизаторы прочности.

— Микрокремнезем, металлические волокна.

— Латексные и нанополимерные добавки.

— Золь — гель системы и их применение.

— Добавки для предотвращения миграции газа.

— Пеногасители, микронаполнители.

— Расширяющиеся добавки и полимерные мембраны.

— Химические поглотители газа.

— Практические аспекты применения добавок.

— Совместимость и синергия добавок.

— Примеры готовых решений

— Готовые цементные системы.

— Заключение.

— Перспективы развития химических добавок.

— Рекомендации по выбору и использованию.

Ускорители схватывания цементного раствора — основной целью данных добавок является увеличение раннего набора прочности тем самым сокращая ОЗЦ. Несколько видов приведены ниже.

Хлорид кальция (CaCl2):

Хлорид кальция — это самый широко применяемый ускоритель, высоко эффективен и имеет широкую область применения. Применяется в дозировках 1—4% в зависимости от массы цемента. значительно сокращает время начального схватывания цемента, что особенно полезно при низких температурах (зимой или в холодном климате), когда гидратация цемента замедляется. При большей концентрации увеличиваются реологические свойства цементного раствора, и время загустевания, что в свою очередь может сделать не прокачиваемый цементный раствор с риском преждевременного схватывания.

Хлорид натрия (NaCi):

Хлорид натрия обеспечивает ранний набор прочности при малом процентном содержании (1—12%) в зависимости от массы воды. От 18 — 37% может использоваться в качестве замедлителя для достижения умеренных температур. понижает точку замерзания воды, позволяя работать с раствором при температурах до -5° C (в некоторых случаях до -10° C).

Полугидрат или Гипс:

Данная добавка используется в том случае, когда необходимо обеспечить очень быстрое схватывание цементного раствора. Применяется от 5—150% в зависимости от массы цемента. Регулирование сроков схватывания (контроль гидратации цемента). В портландцементе гипс (обычно в виде полугидрата или дигидрата) добавляют на этапе помола клинкера (3–5% от массы цемента), чтобы предотвратить мгновенное схватывание (явление «флэш-схватывания»). Гипс замедляет реакцию гидратации алюминатной фазы (C₃A) в цементе, обеспечивая нормальное время для работы с раствором (обычно 1–3 часа). Улучшение прочности и уменьшение усадки. Гипс способствует образованию эттрингита на ранних стадиях твердения, что повышает раннюю прочность цемента. Снижает риск усадки и трещинообразования за счёт оптимизации структуры цементного камня. Использование в специальных цементах. В гипсоцементно-пуццолановых вяжущих (ГЦПВ) гипс смешивают с цементом и минеральными добавками для получения быстротвердеющих растворов, безусадочных и расширяющихся смесей (например, для ремонтных составов). Гипс в цементном растворе нужен для контроля скорости схватывания. Повышения ранней прочности, снижения усадки.

Cal — Seal:

Содержит полугидратную форму сульфата кальция для ускорения схватывания цемента, борьбы с поглощениями, и обладает тиксотропными свойствами. Увеличивает вязкость и способствует раннему набору прочности. Так же используется для цементирования зон ММП, поскольку он обеспечивает низкую теплоту гидрации, сто способствует быстрому схватыванию при отрицательных температурах.

Силикаты — (Diacel A):

Могут использоваться в тех особых случаях, когда другие добавки оказались неэффективными или имели негативный эффект на другие добавки. Используется в количестве 1—10% в зависимости от массы цемента.

Diacel A — это силикатная добавка на основе жидкого стекла (силиката натрия или калия), которая применяется в цементных растворах для улучшения их свойств. Основные функции: Ускорение схватывания и твердения. Жидкое стекло резко сокращает время схватывания цемента (иногда до нескольких минут), что в свою очередь осуществляет быстрый набор прочности в экстренных случаях. Силикаты заполняют поры цементного камня, образуя нерастворимые соединения.

Морская вода — простой вариант в условиях работы на платформе либо при эксплуатации месторождений, где присутствуют солевые отложения.

Замедлители схватывания цементного раствора. Целью использования данных добавок является замедление времени схватывания цементного раствора. Высокие температуры в глубоких скважинах способствуют быстрому схватыванию цементного раствора. Чем выше температура, тем быстрее схватится цементный раствор. Например, определенный замедлитель может быть эффективен при температуре от 46 до 107 ℃. При температуре выше 107 ℃, данная добавка может распасться или потребовать большего экономически не выгодного количества, и в таком случае будет использоваться другая добавка, с более высоким диапазоном температур с надежными характеристиками. Большинство замедлителей являются органическими соединениями. Вода для затворения, взятая из источника на объекте так же может быть с источником органических веществ. Добавки для контроля водоотдачи также могут замедлять время загустевания цементного раствора, после определенных концентраций. (Например, как floss 500 после 0,4% при высокой температуре работает как замедлитель, это его вторичное свойство.)

Вот несколько подвидов замедлителей:

— Органические. (Гидроксикарбоновые кислоты и их соли (например, лимонная, винная, глюконовая кислоты); (Сахара и производные (сахароза, глюкоза, меласса) — эффективны даже в малых дозах.); Лигносульфонаты (побочный продукт целлюлозно-бумажной промышленности) — часто входят в состав комплексных добавок.

— Неорганические. Фосфаты и бораты (например, тетраборат натрия). Соли цинка и свинца (редко из-за токсичности). Нитраты и сульфаты (могут влиять на прочность).

— Полимерные. Поликарбоксилаты (в составе суперпластификаторов с эффектом замедления). Полиакрилаты (используются в комбинации с другими модификаторами).

— Комплексные добавки. Сочетают замедляющий эффект с пластифицирующими или воздухововлекающими свойствами (например, лигносульфонаты + пластификаторы).

Облегчающие добавки.

Основное назначение облегчающих добавок — уменьшение плотности цементных растворов. Причинами уменьшения плотности цементных растворов являются:

— Породы с низким градиентом гидроразрыва пласта;

— Экономические соображения. (стоимость облегченного цементного раствора в разы дешевле, цементного раствора нормальной плотности)

Облегчающие добавки забирают дополнительную воду при смешивании и удерживают твердую фазу раствора в подвешенном состоянии с целью предотвращения образования свободной воды и осадка. (Если, например, использовать плотность ОЦР 1,5 г/см3, не применяя облегчающих добавок, то коэффициент себестоимости раствора будет очень дорогим, так как придется добавлять понизители фильтрации, структурообразователи что бы не было усадки и свободной воды, гораздо дешевле добавить облегчающую добавку что будет целесообразным применением к данным типам растворов). Облегчающие добавки также могут использоваться с целью предотвращения миграции газа в затрубном пространстве, особенно при цементировании ННС — (наклонно-направленных скважин). Если не использовать облегчающие добавки свободная вода в ННС, поднимется до верха МКП (межколонного пространства) оставляя не зацементированные каналы оставляя таким образом потенциальную возможность для проникновения газа и скважинных флюидов. Также может быть негерметичность межколонного пространства. Тестирование на свободную воду проводится в колбе, 200 мл., при угле наклона 45 градусов.

Вот несколько подвидов облегчающих добавок:

— Бентонит — это коллоидальная глина, которая разбухает при контакте с водой в десятки раз от первоначального объёма. Это дешевая добавка, которая может использоваться для уменьшения веса раствора до 1,4—1,6 г/см3. При этом, добавка может влиять на время загустевания, реологические показатели и фильтрацию цементного раствора, в зависимости от концентрации.

— Силикаты — это реагенты, являющиеся эффективными ускорителями и в то же время облегчающими добавками. В отличии от бентонита их требуется меньшее количество из-за большой потребности в воде. Так же они могут создавать «пышность» раствора, при этом не сильно влияя на реологические свойства цементного раствора.

— Диатомовая земля — является более дорогой добавкой, основным преимуществом которой является большая площадь распространения воды в цементном растворе. Незначительно увеличивает вязкость раствора.

— Вспученный перлит — это вещество, вулканического происхождения разрабатывается, размалывается, сортируется и вспучивается под действием нагрева, формируя ячейки. При закачке данные ячейки заполняются водой либо разрушаются под действием скважинного давления. В зависимости от результатов давления, они формируют схватившийся цементный раствор с более высокой прочностью и меньшим объёмом, чем наблюдалось при атмосферных условиях.

— Пуццолан — это побочный продукт угольных электростанций, зольная пыль. Это кремнистый материал, который при взаимодействии с известью и водой, дает вяжущие свойства. Поскольку пуццолан обладает более низким удельным весом, чем цемент, они могут смешиваться в различных пропорциях с цементом и бентонитом облегчая цементный раствор.

— Гильсонит — Природный углеводород, может использоваться отдельно или совместно с другими облегчающими добавками для уменьшения плотности цементного раствора и обеспечения закупоривающего реагента во избежание риска поглощения при цементировании скважины. Также применим к буровым растворам. Обладает низким удельным весом и низкой водопотребностью.

— Полые сферы (микросферы, стеклосферы) — Полые сферы обладают низким удельным весом и поэтому могут использоваться в приготовлении цементных растворов с малой плотностью. Полые сферы обеспечивают цементный раствор малым удельным весом, равный 0,959 г/см3, меньше чем у воды.

— Пеноцемент — это скорее модификация готового цементного раствора, чем добавка, с добавлением газа в цементный раствор. Цементные растворы с экстремально низкой плотностью могут быть образованы путем включения пузырьков диспергированного газа и удержания их в растворе до его схватывания. Пеноцемент применяется при цементировании скважин для решения нескольких ключевых задач, связанных с улучшением качества изоляции и снижением негативного воздействия на слабые пласты.

Основные цели применения пеноцемента:

Облегчение цементного раствора.

Пеноцемент имеет низкую плотность (может достигать 600–1200 кг/м³), что позволяет использовать его в слабых и неустойчивых породах, где обычный цементный раствор может вызвать разрушение пласта или поглощение жидкости.

Снижение гидростатического давления.

За счет пористой структуры пеноцемент уменьшает давление на стенки скважины и продуктивные пласты, предотвращая их повреждение.

Улучшение изоляционных свойств.

Пеноцемент обладает высокой адгезией к стенкам скважины и лучше заполняет каверны и трещины, улучшая герметизацию.

Воздушные поры в пеноцементе снижают теплопроводность, что полезно при цементировании скважин в условиях вечной мерзлоты или высоких температур.

Повышение устойчивости к механическим нагрузкам.

После затвердевания пеноцемент сохраняет достаточную прочность, но при этом обладает некоторой эластичностью, что снижает риск растрескивания при подвижках породы.

Типичные случаи применения:

Цементирование слабых и трещиноватых пластов (предотвращение поглощений).

Изоляция зон с аномально низким пластовым давлением.

Крепление скважин в условиях вечной мерзлоты.

Ликвидация газопроявлений (пеноцемент лучше блокирует миграцию газа).

Утяжеляющие добавки

Основной целью данных добавок является сдерживание высокого пластового давления. Утяжеляющие добавки используются для получения раствора плотностью до 2.2 г/см3 и выше с целью обеспечения контроля высокого давления газовых пластов и для облегчения вытеснения тяжелых буровых растворов. Поскольку водоцементное отношение ниже, цементы с высокой плотностью развивают высокую прочность на сжатие чем другие растворы.

Вот несколько подвидов утяжеляющих добавок:

— Диспергаторы — призваны уменьшить потребление воды нормальных цементных растворов и таким образом, увеличить массу раствора. Они также позволяют ввести дополнительное количество утяжеляющих добавок, когда водопотребление не допускает образования твердой фазы или, когда раствор по каким-либо причинам невозможно смешать. Это химические добавки, которые улучшают свойства смеси за счет диспергирования (разделения и равномерного распределения) частиц цемента и других компонентов.

Основные функции диспергаторов:

Снижение водопотребности — позволяют уменьшить количество воды в растворе без потери подвижности (эффект водоредуцирования).

Повышение прочности — за счет более плотной упаковки частиц цемента и уменьшения пористости.

Предотвращение расслаивания — обеспечивают однородность смеси, предотвращают оседание твердых частиц.

Ускорение или замедление схватывания (в зависимости от типа добавки)