Для обустройства и реставрации нефтяных и газовых скважин создан специальный вид вяжущего – тампонажный цемент. Он обладает уникальными в своем роде свойствами проникновения и высокой адгезии с поверхностью, благодаря чему иногда применяется при ремонте коммуникаций. Рассмотрим основные свойства этого материала, особенности и отличие от традиционного портландцемента.
Состав
Тампонажный цемент – это вяжущее, которое практически не отличается от портландцемента за исключением повышенных требований к минералогическому составу клинкера. Допускается применение добавок, оказывающих влияние на отдельные свойства материала, в связи с чем его делят на группы:
- I – бездобавочный тампонажный ПЦ, который делится на два типа:
- I-G – с нормированными требованиями при водоцементном соотношении 0,44;
- I-H – с установленными требованиями при в/ц 0,38;
- II – тампонажный цемент с добавками минерального происхождения;
- III – тампонажный ПЦ с регулирующими плотность теста добавками.
Для данного типа вяжущего разрешено применение только минеральных и некоторых синтетических добавок, среди которых:
- Триэтаноламин, способствующий повышению гигроскопичности изоляции нефтяных скважин;
- Известняк (гипс) – добавка для расширяющихся цементов;
- Кварцевый песок для утяжелённого и солестойкого цемента;
- Шлаки;
- Шпаты, гематиты и другие утяжеляющие добавки.
К базовому клинкеру предъявляют строгие требования:
- Для холодных скважин количество алюмината трехкальциевого должно быть в пределах 10…13%, около 50% алита;
- Для «горячих» скважин содержание СзА должно быть минимальным – процессы твердения и набора прочности происходят естественным образом при повышении температуры в шахте.
Классификация
Требования к тампонажным цементам предъявляет ГОСТ 1581-96. Он нормирует основные характеристики материала и приводит его подробную классификацию. Кроме того, документ демонстрирует деление вяжущего по нескольким ключевым признакам. Все они отражаются в маркировке цемента и принимаются к сведению при выборе компонентов для строительства.
Плотность цементного теста для ПЦТ III типа:
- Утяжелённый (Ут) – вяжущее с утяжеляющими добавками (песок, шлак);
- Облегченный (Об) – классический состав.
Температурный режим монтажа и эксплуатации выбирают исходя из особенностей работы шахты:
- Низкие и нормальные (15…50)°С;
- Умеренные (51…100) °С;
- Повышенные (101…150) °С.
Стойкость к сульфатам, присутствующим в недрах грунтовых пород, для утяжеленных и облегчённых тампонажных цементов групп I, II, III:
- Обычные (без специальных требований);
- Сульфатостойкие со специальными присадками (СС).
Для типов I-G и I-H выделяют два уровня сульфатостойкости:
- Высокая (СС-1);
- Умеренная (СС-2).
Степень защиты от сульфатов определяется анализом грунта при пробном или исследовательском бурении.
Состояние теста цементного:
- Гидрофобизированное (ГФ);
- Пластифицированное (ПЛ).
Маркировка
По приведенным признакам тампонажного портландцемента (ПЦТ) можно расшифровать маркировку пакета. На примере ПЦТ III-Об 5-100-ГФ ГОСТ 1581-96:
ПЦТ – портландцемент тампонажный;
III-Об – третий тип уплотненного вяжущего облегченный;
5 – марка прочности тампонажного цемента. Определяется производителем;
100 – температура монтажа и эксплуатации, умеренный тип;
ГФ – гидрофобизированное вяжущее, стойкое к воде;
ГОСТ 1581-96 – нормативный документ.
Основные технические показатели
Поскольку тампонажный цемент применяется в строительстве скважин нефтедобычи и сопутствующих продуктов, его свойства строго регламентированы ГОСТом, которые настоятельно рекомендуется придерживаться производителям вяжущего.
Основные характеристики ПЦТ по ГОСТ 26798.1-96:
| Свойство | Значение | Примечание |
|---|---|---|
| Насыпная поверхность | 250…1500 м2/кг | Параметр зависит от тонкости помола, минералогического состава порошка и включённых в состав добавок. |
| Плотность насыпная удельная | 800…1200 кг/м3 | |
| Водосодержание (отношение массы воды к твердой фазе сухого вещества) | 0,2…0,25 (в теории), 0,35…0,4 (на практике) | Для получения пластичного раствора добиваются 18 см расплыва материала по конусу АзНИИ, то есть для каждой партии и раствора количество воды превышает нормируемое. |
| Подвижность | В пределах 18…25 см при в/ц=0,5 | Нижний предел подвижности – 16 см. В таком состоянии раствор еще сохраняет пластичность, но она критично низкая. |
| Срок схватывания | Начало – не ранее 1 час 45 мин, конец – не позже 10 часов | Гидратационное твердение тампонажного цемента в шахте зависит от состава и условий. В «горячих» скважинах гидратация происходит интенсивно благодаря нагреванию раствора, в «холодных» — из-за активных компонентов. Время определяют лабораторно посредством иглы Вика (от её провала до 1-2 мм на поверхности). |
| Водоотделение при гидратации* | 7,5…8,5 мл на 250 мл раствора | В зависимости от состава и условий твердения |
| Прочность | 27-62 кг/см2 | Определяется на вторые сутки, ключевой показатель. Также проводятся испытания образцов через 8 часов от формовки (мин. 2,1 МПа при температуре 38°С и мин. 10,3 МПа при 60°С). Через 28 суток такой цемент не тестируют. |
| Усадка | Не допускается | Для обустройства нефтяных и газовых шахт подходят только безусадочные или расширяющиеся тампонажные цементы. |
*В процессе монтажа и на начальных стадиях твердения твердые и крупные фазы раствора оседают вниз, оставляя мелкие компоненты и воду на поверхности. Чтобы определить седиментационную устойчивость, принимают во внимание данный параметр.
Специфика применения
Тампонажные цементы предназначены для обустройства внешней защиты нефтеносной трубы. От состояния бетонного (цементного) слоя во многом зависит качество службы канала, как и продолжительность его эксплуатации. По этой причине к данному типу цементов предъявляют высокие требования.
Замес и заливка раствора происходят исключительно механическим способом, подача в шахту осуществляется насосной установкой. В связи с этим смесь делают подвижной, но не чрезмерно насыщенной водой.
Затвердевание происходит в условиях грунта, поэтому важен правильный выбор состава раствора, в частности – тампонажного цемента. Важно, что при гидратации и твердении не допускается усадка раствора и камня, иначе между стальной трубой и бетоном образуется прослойка, теряется функция защиты нефтеноса от окружающей агрессивной среды.
Применение цементов безусадочных и расширяющихся возможно по всей протяженности шахты и по отдельным ее частям при строительстве и ремонте.
Редко, но все же иногда тампонажные цементы применяют при ремонте коммуникаций из железобетона (канализации, вводные каналы).
В целях строительства домовых конструкций использование материала нецелесообразно – он обладает неподходящими характеристиками и дорого стоит, гораздо проще воспользоваться обычным или улучшенным портландцементом марок М300-М400, в зависимости от потребностей конструктивного элемента.
