Загальна характеристика тампонажних цементів

Одним із основних і найпоширеніших водоізоляційних матеріалів на сьогодні поки-що є водоцементні суспензії (розчини тампонажного порт­ландцементу), хоч вони часто характеризуються найменшою успішністю застосування [235, 500].

У багатьох випадках цементні розчини відповідають вимогам ефек­тивного виконання ізоляційних робіт, коли немає необхідності досягати значної глибини оброблення пласта (глибина проникання частинок цемен­ту в пористе середовище становить усього декілька сантиметрів) [500]. Разом з тим вони є дешевим і технологічним матеріалом.

Серед недоліків, притаманних звичайним водоцементним суспензіям, слід відзначити велику водовіддачу, слабке проникання у пористе і дрібно-тріщинувате середовища, значну густину, невисоку ударну міцність це­ментного каменю. Це нерідно призводить до негативних результатів об­роблень при ізоляції заколонної циркуляції (непроникнення за колону), при обробленнях у тріщинуватих колекторах і при низьких пластових тисках (весь цемент надходить у наявні або утворені за рахунок гідророзриву пласта локальні тріщини), при повторній перфорації (розтріскування

цементного каменю за колоною). Однак всі ці недоліки можна звести до мінімуму і значно підвищити ефективність цементних суспензій викори­станням спеціальних цементних сумішей [500].

Враховуючи, що розмір частинок цементних суспензій становить 10-15 мкм, їх проникнення можливе лише в канали розміром понад 50 мкм. Тому необхідною є оцінка розмірів каналів затрубної циркуляції перед плануванням оброблянь. Окрім цього виду робіт цементні суспензії використовуються для ізоляції пластів і пропластків у тріщинуватих ко­лекторах, але в межах прояву кольматувального ефекту, коли ще відсутня вільна фільтрація в тріщини. В іншому випадку необхідно вводити коль-матувальні домішки. У пористих колекторах можливе їх використання, коли навпроти ізольованого інтервалу є каверна або можливе залишення цементної пробки у стовбурі свердловини [500].

Для ремонтно-ізоляційних робіт можуть використовуватися різні тампонажні цементи в залежності від конкретних термогідродинамічних і фізико-хімічних умов у свердловинах (рис. 2.7). В'яжучими матеріалами тампонажних цементів є найчастіше портландцемент, а також іноді металургійні шлаки, глиноземи, вапняки, натрієкалієві силікати і гіпс. Із них безпосередньо приготовляють тампонажні розчини або вони є основ­ними складниками чи додатками до спеціальних тампонажних цементів і відповідно розчинів [341].

Цементи являють собою суміш неорганічних порошкоподібних в'яжу­чих речовин (портландцемент, вапно і інш.), а також мінеральних (кварцовий пісок, азбест, глина, шлак і інш.), органічних (відходи целюлозного вироб­ництва) та інших додатків, що утворюють у процесі змішування з водою дрібнодисперсну суспензію (цементний розчин) та пізніше твердий камінь.

Класифікація тампонажних цементів

За основу класифікації цементів беруть наступні ознаки: речовинний склад цементу; температуру застосування цементу; густину тампо­нажного (цементного) розчину; стійкість до агресивної дії; власні об'ємні деформації цементного каменю [ГОСТ 25597-83, 200].

За речовинним складом (у залежності від виду в'яжучої основи) тампонажні цементи поділяють на такі групи:

портландцементи (без додатків, окрім гіпсу);

портландцементи з мінеральними додатками до 20%;

портландцементи із спеціальними додатками 20-80%;

цементи на основі глиноземистого клінкеру (випаленого продукту);

безклінкерні цементи (на основі вапняно-кремнеземистих в'яжучих, доменних шлаків та інших відходів металургійної промисловості);

цементи на основі гіпсу;

полімерні цементи;

композиції декількох в'яжучих речовин.

За температурою (°С) застосування тампонажні цементи роз­діляють на такі групи:

для низьких температур < 15

для нормальних температур 15-50

для помірних температур 50-100

для підвищених температур 100-150

для високих температур 150-250

для надвисоких температур > 250

для циклічно змінних температур -

У літературі ще зустрічається розподіл тампонажних цементів у залежності від температури у свердловинах на три класи [550]:

цементи для „холодних" свердловин з температурою до 40°С (ХЦ); температура випробування 22 ± 2°С;

цементи для „гарячих" свердловин з температурою до 75°С (ГЦ); температура випробування 75 ± 3°С;

цементи для глибоких високотемпературних свердловин з темпе­ратурою понад 75°С (ВЦ); цементи цього класу ще поділяють на групи: (ВЦА - з температурою випробування 100 ± 3°С), ВЦБ (125 ± 3°С), ВЦВ (150 ± 3°С), ВЦГ (200 ± 3°С).

За густиною тампонажних розчинів тампонажні цементи діляться на такі групи: легкі з густиною до 1400 кг/м³; полегшені - 1400-1650 кг/м³; нормальні - 1650-1950 кг/м³; обважнені - 1950-2300 кг/м³; важкі - понад 2300 кг/м³. Густину деяких видів тампонажних цементів і їх розчинів показано в табл. 2.6 [550].

Таблиця 2.6- Густина тампонажних цементів і їх розчинів

За стійкістю до агресивної дії на тампонажний камінь пластових середовищ тампонажні цементи розділяються на наступні групи:

стійкі до сульфатних середовищ;

стійкі до кислих (вуглекисле, сірководневе) середовищ;

стійкі до магнезіальних середовищ;

стійкі до полімінеральних середовищ.

За величиною власних об'ємних деформацій під час твердіння виділяють такі цементи: без особливих вимог; безусадкові (величина лі­нійної деформації розширення після 3 діб твердіння до 0, 1%); розширні (величина лінійної деформації розширення після 3 діб твердіння понад 0, 1% );

Тампонажні портландцемента

Тампонажні портландцементи (з вмістом у них портландцементного клінкеру не менше 30%) діляться на базові групи ПЦТ-Д0 (без додатків; вміст клінкеру не менше 95%) і ПЦТ-Д20 (з мінеральними додатками 10-20%; вміст клінкеру не менше 75%) та спеціальні групи ПЦТ-Д70 [200]. Базовий тампонажний портландцемент за складом і властивостями найближче відповідає будівельному портландцементу марок 400 і 500. Марка портландцементу визначається за величиною межі міцності в процесі стискування (напруження стискування о_ст = 40 і 50 МПа) взірців (призм) цементного каменю розміром 4x4x16 см.

У свердловинах з низькою температурою і особливо в холодний період року краще використовувати цементи ПЦТ-Д0, внаслідок гідра­тації яких на початковій стадії виділяється більша кількість тепла, що прискорює схоплювання і зменшує небезпеку замерзання розчину за від'ємної температури стінок свердловини. Ці ж цементи, як правило, піддатливіші до дії прискорювачів схоплювання. Прискоренню гідратації і схоплювання, збільшенню початкового тепловиділення сприяє тонкий помол цементу [200].

Для зниження температури замерзання цементного розчину у воду замішування вводять неорганічні солі, які одночасно є прискорювачами схоплювання. Як солі-прискорювачі схоплення краще використовувати сульфати, карбонати, нітрати і нітрити. Стосовно таких умов доцільним є застосування глиноземистого цементу.

Тампонажні портландцементи ПЦТ-Д0 і ПЦТ-Д20 термостійкі тільки до 60°С. За вищих температур появляються деструктивні процеси, які викликають деяке зниження міцності і підвищення проникності цемент­ного каменю. Оскільки за температур до 100°С ступінь розвитку цих процесів є невеликим, то дані цементи за таких умов ще можна викори­стовувати. Базові цементи групи ПЦТ-Д20 випускаються у двох різно­видах - для низьких та нормальних температур ПЦТ-Д20-50 і для по­мірних температур ПЦТ-Д20-100. Вище 100°С слід використовувати спе­ціальні термостійкі цементи ПЦТ-Д70-150 [200].

Спеціальні (модифікованій тампонажні цементи

Крім тампонажних портландцементів відповідно до специфічних геологічних і технологічних умов при проведенні PIP використовують спеціальні тампонажні цементи: а) полегшені; б) обважнені; в) тер­мостійкі; г) розширні; ґ) корозійностійкі; д) для низьких додатніх і від'єм­них температур (від -12 до +5 °С); є) тампонажні матеріали для ізоляції зон поглинання;

Застосовуються різні способи зниження густини тампонажних розчинів (див. нижче).

За невисоких температур і відсутності напірних вод можна застосо­вувати легші гіпсові і магнезіальні цементи замість відносно важкого портландцементу. За температур вище 60°С можна використати вапняно-кремнеземистий цемент.

Глиноземистий цемент виготовляють на основі бокситу і вапна (вап­няку). Із усіх інших тампонажних цементів він є єдиним стійким цементом проти сірководневих пластових вод і газів. Але може використовуватися тільки за нормальних температур (до 20-25°С) на вибої [200].

Цементний камінь із гіпсоглиноземистого цементу (з додаванням 25-30% сульфату кальцію у вигляді гіпсу або ангідриту) стійкий за темпера­тур до 60°С, а також у сульфатних середовищах, але не стійкий при дії сірководню і солей магнію. Високою стійкістю в контакті з кристалічними солями магнію володіє магнезіальний цемент.

Обважнені тампонажні цементи випускаються як на портландце-ментній (типу ОЦГ), так і на шлаковій основах (типу ОШЦ) [200]. Обважнений цемент типу ОЦГ для помірних температур використо­вується для тампонажу свердловин за температурних умов 20-13 0°С і наявності зон аномально-високих пластових тисків (густина розчину 2060-2250 кг/м³), а цемент типу ОШЦ за високих температур - у темпе­ратурних умовах 80-250°С (у залежності від марки). Для обважнення використовують карбонатні (сидерит FeC0₃), баритові (барит BaS0₄), за­лізисті (гематитFe₂0₃; магнетитFeOFe₂0₃; ільменітFeOTi0₂), свинцеві (галеніт PbS) обважнювані - додатки з підвищеною густиною. Разом з тим у першу чергу для підвищення густини цементного розчину необхід­но знижувати водовміст за рахунок зниження дисперсності і введення пла­стифікаторів. За температур вище 60°С для зниження дисперсності ко­рисно вводити грубомолотий або природний кварцовий пісок, що також підвищує термостійкість цементу. Можна використати піщані портланд-цементи і шлакопіщані цементи сумісного помолу, оскільки вони також ха­рактеризуються зниженою водопотребою.

Піщаний тампонажний портландцемент за вмісту подрібненого квар­цового піску понад 30% термостійкий до 200°С, але кращі міцнісні власти-

вості має в температурному інтервалі від 100 до 160°С, а розчин із нього схоплюється за високих температур так же швидко, як із портланд­цементу без додатків [341].

Найменш термостійкими є цементи алюмінатного твердіння -глиноземисті і піщаноглиноземисті [200]. Молотий шлак, який вико­ристовується як тампонажний цемент, забезпечує термостійкість це­ментного каменю до 120°С. За температур 120-160°С найкращими є піщанисті портландцементи, а за вищих температур перевагу слід нада­вати безклінкерним низькоосновним цементам - шлакопіщаним (типів ШПЦ і ШПЦС) і белітокремнеземистим цементам (типу БКЦ). Шлако­піщані цементи типу ШПЦ містять або пісок природної крупності, або молотий кварцовий пісок. їх готують шляхом змішування компонентів. Шлакопіщані цементи сумісного помолу (типу ШПЦС) застосовують за температур 80-250°С (у залежності від марки) для різних умов, у т.ч. для ізоляції сольових відкладів галіту, бішофіту та інших магнієвих солей.

Цемент тампонажний для циклічно змінних температур типу ЦТПН (за ТУ 39-1057-85) призначений для цементування паронагнітальних сверд­ловин з температурою робочого агента до 350°С. Він містить доменний шлак (до 30%), кварцовий пісок (до 30%) і тампонажний портландцемент ПЦТ-ДО-ЮО або портландцемент марки не нижче 400 (до 60%).

Шлакопіщаний тампонажний армований цемент типу ШПЦА (за ТУ 39-909-83) використовується для цементування свердловин за темпе­ратур 80-250°С, у т.ч. для ізоляції соленосних відкладів. Як армувальний додаток використовується хризотіловий азбест.

За температур вище 40°С можна використовувати вапняно-кремне­земисті тампонажні цементи, які містять гашене (гідратне) вапно і тонкозмелений діатоміт, за температур 40-120°С - вапняно-кремнезе­мисті цементи (на основі гашеного вапна і оксиду кремнію), а за темпе­ратур понад 150°С - беліто-кремнеземисті цементи (на основі подріб­нених беліту P-2CaOSi0₂ і кварцового піску Si0₂).

Розширні тампонажні цементи характеризуються збільшенням загального об'єму каменю до 6% [200]. Оскільки цементний камінь є по­ристим тілом, то зовнішній об'єм може змінюватися без зміни дійсної гу­стини окремих фаз за рахунок зміни відношення об'ємів фаз з різною густи­ною, тобто за рахунок збільшення об'єму порового простору. Відомо два способи розширення цементного каменю: 1) введенням речовин, які в процесі хімічної реакції між собою або з речовинами цементного розчину утворюють газоподібні продукти (підвищений тиск протидіє розширенню бульбашок газу); 2) введенням розширних додатків, які в процесі хімічної реакції між собою або з речовинами цементного розчину утворюють кристалічні продукти (гіпс, суміш гіпсу з високоглиноземистим шлаком,

суміш гіпсу з алюмінатом кальцію, безводний сульфоалюмінат кальцію, окис кальцію СаО або магнію MgO).

Для кріплення нафтових і газових свердловин найчастіше використову­ють суміш тампонажного портландцементу (75-85%) і гіпсоглиноземистого (25-15%). За водоцементного відношення 0, 45 розширення взірця сягає 2%.

За наявності корозійноактивних середовищ застосовують або спе­ціальні корозійностійкі цементи, або в цемент вводять деякі додатки перед чи в процесі використання цементу з метою підвищення його стій­кості до того чи іншого агресивного середовища. Універсальних соле­стійких цементів у даний час немає [200], хоч найкращими щодо солестій­кості є тампонажні розчини на основі органічних полімерів. Найбільшою стійкістю до декількох видів корозії володіє глиноземистий цемент, але за температур до 25°С (за вищих температур він не термостійкий). За присутності сульфатів доброю стійкістю володіють портландцементи з додатками активних кремнеземистих порід і шлакопортландцемент. Відносно кращою стійкістю володіють цементи на шлаковій основі та цементи з додатками піску (природного або меленого). Піщанистий портландцемент з 20-25% піску володіє підвищеною стійкістю до сольо­вої, в т. ч. і магнезіальної агресії за температур до 100°С, а за вищих тем­ператур треба вводити 30-50% піску. Проти сірководневої агресії краще використовувати шлакові цементи із шлаків малої основності. Додавання портландцементу навіть у малих кількостях різко знижує сірководнестій-кість [200].

В інтервалі низьких температур від -5 до +5°С краще використову­вати глиноземистий і гіпсоглиноземистий цементи, а також портланд­цемента! тампонажні розчини з антифризами (СаС1₂, КОН, сульфосилі-цилова кислота C₆H₃(OH)(S0₃H)COOH, K₂C0₃+KOH, CaCl₂+4% NaCl) чи розчини з покращеними теплофізичними властивостями (аеровані піноцементні розчини, розчини з протиморозними додатками).

Для ізоляції зон поглинання використовують тампонажні матеріали, розчини яких швидко схоплюються (з додатками прискорювачів охоп­лення, гіпсу, бентоніту, наповнювачів, вуглеводнів, полімерів).

Для цементування свердловин застосовують в основному такі там­понажні матеріали [550]: 1) полегшені цементи для отримання розчину густиною 1400-1600 кг/м³ на базі тампонажного цементу для „холодних" і „гарячих" свердловин (за ГОСТ 1581-78), а також на основі шлако-піщаної суміші (для температур 90-140 °С); як полегшувальний компонент рекомендується використовувати глини (глинопорошки) або активні гід­равлічні додатки (пемзу, діатоміт, трепел, опоку та інш.); 2) обважнені цементи для отримання розчинів густиною не менше 2150 кг/м³ на базі тампонажного цементу (за ГОСТ 1581-78) для „холодних" та „гарячих"

свердловин; як обважнювальні додатки використовують барит, магнетит та інші обважнювачі; 3) термостійкі шлакопіщані цементи для цемен­тування свердловин при температурах 90-140°С і 140-180°С; 4) низько-гігроскопічні цементи.

Тампонажні цементи із сировинних ресурсів України

Сьогодні управління бурових робіт (УБР) України використовують базовий тампонажний портландцемент Здолбунівського цементного заводу ВАТ „Волинь", спеццементи ЦТО 1, 5-100, ШПЦС, ЦТУ-100, УШЦ Костянтинівського ВАТ " Обважнювач", будівельний портланд­цемент М 500 і полегшений спеццемент Кам'янець-Подільського ВАТ „Подільський цемент" [553].

Це надзвичайно малий перелік існуючих тампонажних матеріалів порівняно з тим, що потрібно для якісного цементування нафтогазових свердловин, які будуються в Україні. Особливо це важливо для родовищ з аномально низьким пластовим тиском, з низькими градієнтами тиску гідророзриву пласта. У більшості випадків на таких родовищах недо-підняття тампонажного розчину до проектної висоти, неякісна ізоляція пластів, негерметичність затрубного простору після цементування часто призводять до складних ремонтних робіт високої вартості або закін­чуються ліквідацією свердловини.

Сьогодні універсальним світовим стандартом на тампонажні мате­ріали є АРІ зі специфікацією 10А, розроблений Американським нафтовим інститутом [553].

За цим стандартом маємо наступні класи тампонажних цементів.

Клас А призначений для цементування свердловин глибиною до 1800 м (t = 75°С) за умов, коли до цементу не висуваються спеціальні вимоги. Аналогічний портландцементу типу І (бездодатковий) за стан­дартом ASTMC150.

Клас В призначений для цементування свердловин глибиною до 1800 м (t = 75°С) за умов, коли необхідною є сульфатостійкість. Аналогічний цементу типу II (з мінеральними додатками) за стандартом ASTMC150.

Клас С призначений для цементування свердловин глибиною до 1800 м (t = 75°С) за умов, коли вимагається висока початкова міцність тампонажного каменю. Аналогічний цементу типу III (із спеціальними додатками, які регулюють густину цементного розчину) за стандартом ASTMC150. Випускається у вигляді цементу з помірною та високою сульфатостійкістю.

Клас D призначений для цементування свердловин глибиною 1800-3000 м (г = 75-110°С) в умовах високих температур і тисків. Випускається у вигляді цементу з помірною та високою сульфатостійкістю.

Клас Е призначений для цементування свердловин глибиною 1800-4300 м (t = 75-140°С) в умовах високих температур і високого тиску. Випускається у вигляді цементу з помірною та високою сульфатостійкістю.

Клас F призначений для цементування свердловин глибиною від 3000-5000 м (t = 110-160°С) за умов екстремально високих температур і тисків. Випускається у вигляді цементу з помірною та високою сульфатостійкістю.

Клас G призначений для використання як базовий цемент для цемен­тування свердловин глибиною до 2500 м (t = 90°С). У разі введення прискорювачів або уповільнювачів тверднення може застосовуватись для цементування свердловин у широкому діапазоні температур і тисків (у межах класів А і Е). За складом аналогічний цементу класу В за стан­дартом АРІ.

Клас Н призначений для використання у свердловинах глибиною до 2500 м (t = 90°С). У разі введення прискорювачів або уповільнювачів тверднення може застосовуватись для цементування свердловин у широ­кому діапазоні температур і тисків (у межах класів А і Е). За складом аналогічний цементу класу В за стандартом АРІ. Для цього типу цементу рекомендується водоцементне відношення В/Ц рівне 0, 38 [200].

Для регулювання властивостей тампонажних розчинів можна вико­ристовувати наступні реагенти [200]:

а) прискорювачі схоплення і тверднення тампонажних розчинів -хлористий кальцій (СаС1₂, MCA-L*, D-77, S-l, A-7, A-7L); хлористий натрій (NaCl, Salt, D-44, А-5); кремнекислий натрій (Діасел 1-А, D-57); неорганічні прискорювачі МН-2, НА-5, D-43, А-8, WA-4;

б) уповільнювачі схоплення і тверднення -

для низьких температур MLR-1; MLR-3; HR-7; HR-4; D-13; R-5,

WR-1, WR-2, MLR-L, HR-6L, D-81, R-12L, WR-L1; для високих температур MHR-8, MHR-9, HR-12, HR-15, D-28, D-29,

R-11, М-6, WR-6, WR-7, MHR-L, HR-13L, R15L; для надвисоких температур MHR-L, HR-13L, R15L. Хімічний склад уповільнювачів різноманітний - лігносульфонати, органічні кислоти, целюлоза, борати.

в) знижувачі водовіддачі - MFL-4, MFL-5, Халад 9, 14, D-60, D-59, D-19, D-22, CF-1, CF-2, MFL-7, D-8, R-6, Діасел LWL, MFL-L. В основ­ному це органічні матеріали на основі целюлози.

г) пластифікатори (розріджувачі) - MCD-3, MCD-4, MCD-L, CFR-2, CFR-1, ТІСІГО-45, TICID-65, D-80, D-31L, TF-4, TF-5.

Аналіз кон'юнктури світового ринку показав, що основними цемен­тами для широкого використання є тампонажні цементи класу G і Н, які нормуються одинадцятьма показниками якості. Тампонажні розчини з цих цементів характеризуються високою седиментаційною стійкістю,

пластичністю, майже нульовим водовідокремленням, регульованим ту­жавінням, а цементний камінь є достатньо міцним, довговічним, корозійно стійким з хорошою адгезією до металу [553].

Цементи, які випускаються в Україні за застарілими технологіями, на сьогодні не відповідають усьому спектру цих вимог, головним чином, через відсутність чіткого збалансування хімічного та мінералогічного складу клінкеру, кількості та якості мінеральних додатків, котрі вводяться в процесі помелу, тонини помелу та ін. [553].

З метою істотного поліпшення якості кріплення свердловин і техноло­гічних параметрів тампонажних матеріалів, розширення спектра їх засто­сування, підвищення конкурентноздатності своєї продукції на світовому ринку, інтеграції в світову систему стандартизації в Росії на базі цементів G і Н у 1996 р. було розроблено і прийнято новий ГОСТ 1581-96, уніфікова­ний з Американським стандартом на цементи тампонажні, який введено в дію 11.12.96 р. За міждержавними угодами його прийняли Вірменія, Грузія, Казахстан, Киргизія, Молдова, Узбекистан, а Україна прийняла і ввела в дію цей ГОСТ 1581-96 у 1999 р. під шифром ДСТУ Б.В.2.7.88-99.

Стандартом передбачено такі типи тампонажних цементів за речо­винним складом:

I - бездодатковий;

I-G - бездодатковий з нормованим В/Ц = 0, 44;

І-Н - бездодатковий з нормованим В/Ц = 0, 38;

II - з мінеральними додатками;

III - із спеціальними додатками, що регулюють густину цементного розчину.

Сюди віднесено полегшені (густиною 1360-1640 г/м³) і обважнені (гус­тиною 1960-2340 г/м³) цементи. Стандарт передбачає американські ме­тоди випробування для цементів класу I-G і І-Н: згідно з ДСТУ Б.В.2.7.88-99 „Цементи тампонажні типу I-G і І-Н. Методи випробувань" тампо­нажні розчини необхідно готувати на мішалці з швидкістю обертання 4000 і 12000 об/хв; міцність цементного каменю визначається лише на стиск взірців кубиків 50x50x50 мм; тужавіння тампонажних розчинів визна­чається на консистометрі за 150 об/хв. і вимірюється в одиницях консис­тенції Бердена, Вс (це - безрозмірна одиниця, яка не перебуває в прямому взаємозв'язку із в'язкістю).

Для типів тампонажних цементів II і III внесено такі зміни: для визна­чення міцності на згин і стиск випробувати взірці цементного каменю для низьких і нормальних (15-50°С) та помірних (51-100°С) температур роз­міром 40x40x160 мм, а для підвищених (101-150°С) - 20x20x100 мм; водовідокремлення тампонажного розчину вимірюється в мілілітрах через 2 год. його витримування в циліндрах об'ємом 250 мл; для тампо-

нажних розчинів з помірними температурами використання вимагається виведення на режим твердіння з ЗО до 75°С протягом 22 хв.

Сировинна база України для виробництва тампонажних матеріалів є надзвичайно багатою. Є можливість мати всі необхідні тампонажні ма­теріали. Табл. 2.7 дає уявлення про те, які тампонажні матеріали від­повідно до класифікації ДСТУ Б.В.2.7.88-99 можна випускати з вітчиз­няної сировини.

Таблиця 2.7 - Тампонажні матеріали з сировинних ресурсів України

Найкраща сировинна база, оптимальний хімічний та мінералогічний склади клінкеру наявні на ВАТ „Івано-Франківськцемент". Підприємство вже освоїло випуск тампонажного портландцементу та полегшених спец-цементів (табл. 2.8), яким в Україні та в країнах СНД аналогів щодо якості немає [553].

Таблиця 2.8 - Тампонажні матеріали, випуск яких освоєно ВАТ „Івано-Фран-ківськцемент"

Тампонажні портландцементи, що використовуються для цемен­тування нафтогазових свердловин України, зокрема ПЦТД 0-100 та ПЦТД 20-50 ВАТ „Волинь", ПЦТ1-500 АГ „Подільський цемент" та інші, не завжди відповідають усьому комплексові вимог ДСТУ Б.В. 2.7.88-99. З метою істотного поліпшення якості цементування свердловин у ВАТ „Івано-Франківськцемент" розроблено технологію та освоєно виробниц­тво портландцементу ПЦТ 1-100. Оцінювання його якості та порівняння з існуючими цементами ПЦТД 20-50 ВАТ „Волинь", ПЦТД 0-100 ВАТ „Во­линь", ПЦТ 1-500 ВАТ „Подільський цемент" (будівельний цемент М 500) подано в табл. 2.9.

Таблиця 2.9- Реологічні параметри тампонажних розчинів з портландцементів вітчизняного виробництва

Примітка. * В/Ц-0, 5; густина - 1800-1810 кг/м⁵.

Із табл. 2.9 видно, що тампонажні розчини з цементу ПЦТ1-100 ВАТ „Івано-Франківськцемент" завжди відповідають вимогам ДСТУ Б.В. 2.7.88-99 і є найбільш седиментаційно стійкими, в той час як тампонажні розчини з інших досліджених цементів через значний технологічний розкид їх реологічних параметрів не завжди відповідають вимогам стандарту за водовідділенням і тривалістю загуснення.

За результатами порівняльних досліджень (табл. 2.10) всі цементи в ранні терміни тверднення мають достатній запас міцності як за вимогами ДСТУ, так і щодо реальних вигинальних напруг, які виникають у процесі взаємодії цементного кільця з обсадною трубою і за результатами розрахунків інституту ВНИИБТ не перевищують 2, 0 МПа. Однак, аналі­зуючи отримані в ході досліджень температурні залежності міцності це­ментного каменю в ранні терміни тверднення, слід відзначити, якщо цементам ПЦТД 20-50 і ПЦТ 1-100 властиве збільшення міцності з під­вищенням температури, то цементи ПЦТД 0-100 та ПЦТ 1-500 в інтервалі температур 75-100°С зменшують свою міцність.

Таблиця 2.10- Середня міцність цементного каменю з портландцементів вітчиз­няного виробництва в ранні терміни тверднення

Тривалість тверднення впливає на міцність цементного каменю з різ­них портландцементів вітчизняного виробництва при різних температурах (табл. 2.11).

Таблиця 2.11 - Міцність тампонажного каменю з різних портландцементів віт­чизняного виробництва в різні терміни тверднення

Порівнюючи дані табл. 2.10 і 2.11 можна побачити, що цемент ПЦТ I-100 ВАТ „Івано-Франківськцемент" у ранньому віці має більшу (на 25-50%) міцність, ніж інші цементи, а у віці 1 рік - на 15-60% більшу міцність, ніж інші цементи.

Окрім того, з табл. 2.11 видно, що при температурі 22°С міцність цементу ПЦТ 1-100 зростає в інтервалі 28 діб - 1 рік найстрімкіше, а при температурі 75-100°С знижується найповільніше.

Досліджено їх корозійну стійкість у різних агресивних середовищах (хлоркальцієвому, хлормагнієвому, гідрокарбонатно-натрієвому та суль­фатно-натрієвому). Оскільки найагресивнішим з них було сульфатно-натрієве середовище, яке містило 30 г сульфату натрію і 20 г сульфату магнію на 1 л води, у табл. 2.12 наведено коефіцієнти корозійної стійкості в ньому, які являють собою відношення міцності при вигині взірців, що твердли в агресивному середовищі, до міцності взірців, що твердли в питній воді при тих же температурах і у ті ж терміни.

Таблиця 2.12 - Корозійна стійкість різних портландцементів вітчизняного вироб­ництва у сульфатно-натрієвому середовищі

Оскільки відповідно до методики [200] цемент вважається корозійно стійким, якщо коефіцієнт корозійної стійкості перевищує 0, 85, то цементи ПЦТ 1-100 та ПЦТД 20-50 є корозійно стійкими у „своєму" інтервалі температур використання, а ПЦТ 1-500 та ПЦТД 0-100 - ні. Окрім того, слід зазначити, що протягом шести місяців цемент ПЦТД 0-100 не витри­мав випробування в хлоркальцієвому середовищі, а цемент ПЦТ 1-500 -в хлормагнієвому середовищі.

Найкращу адгезійну здатність порівняно з іншими дослідженими цементами має цемент ПЦТ 1-100 (табл. 2.13).

Результати досліджень свідчать, що цемент ПЦТ 1-100 ВАТ „Івано-Франківськцемент" можна рекомендувати для цементування нафто­газових свердловин як новий перспективний тампонажний цемент, що дає можливість одержувати седиментаційно стійкий тампонажний розчин та міцний, корозійно стійкий і довговічний цементний камінь в інтервалі температур 22-100°С з високими адгезійними показниками і сприятли-

Таблиця 2.13- Адгезійна здатність цементів вітчизняного виробництва

вими залежностями міцності цементного каменю від часу і температури. Важливо також відзначити, що висока стабільність технологічного процесу у ВАТ „Івано-Франківськцемент" дає змогу отримувати майже ідентичні за якісними показниками партії портландцементу, що відповідає вимогам ДСТУ Б.В. 2.7.88-99 за всім комплексом характеристик. Цей цемент доцільно використовувати як базовий у процесі цементування нафтогазових свердловин при низьких, нормальних і помірних температурах.

Для кріплення свердловин у відкладах з аномально високим пластовим тиском (АВПТ) на глибинах 4000-6000 м (нижній і середній карбон) вико­ристовують спеццементи ОШЦ Констянтинівського ВАТ „Обважнювач", які виготовлені з доменного гранульованого шлаку і руди [399]. Практика показала, що розчини з них седиментаційно нестабільні, мають високе водовідокремлення, низьку розтічність, а камінь має низьку міцність на згин. Дослідження показали, що, використовуючи спеццемент ОШЦ 2-120, барит, гематит, аглоруду, тампонажний портландцемент, шлакопортландце­мент і реагенти-регулятори технологічних параметрів - нітрометилфосфо-нову кислоту (НТФ), винну кислоту (ВК), синтетичну винну кислоту (СВК), гідроксиетилцелюлозу (ГЕЦ), борну кислоту, отримати стабільні обважнені розчини густиною 2300 кг/м³ неможливо. Чернівецькою лабораторією тампонажних матеріалів на основі спеццементу ОШЦ 2-120, бариту і пластифікатора Пл-1 (виготовлено із відходів вітчизняних виробництв) розроблено склади стабільних тампонажних розчинів густиною 2300 кг/м³ з розтічністю 20-22 см і періодом загуснення 4-6 год. та міцністю без-усадкового цементного каменю при згині через одну добу - 6, 3-7, 0 МПа в умовах тверднення при температурі 110°С і тиску 108 МПа [399].

Цією ж лабораторією розроблено високоякісний тампонажний цемент типу ПЦТ II-100 на основі бездодаткового портландцементу марки 500 ВАТ „Івано-Франківськцемент" з питомою поверхнею 280-430 м²/кг, який модифіковано 7-10% вапняково-кремнистою породою родовищ Прикар­паття з таким хімічним складом, мас. %: Si0₂- 14, 4-17, 9; А1₂0₃ - 3, 3-5, 3; Fe₂0₃ - 1, 56-1, 89; СаО - 40, 3-44, 2; MgO - 0, 6-0, 7; S0₃ - 0, 78-0, 88. Дода-

ваиня вапняково-кремнистої породи в кількості 7-10% знижує водовідді-лення цементного розчину (водоцементне відношення рівне 0, 5) в 1, 7-2, 8 рази, негативно не впливає на міцність цементного каменю (міцність при вигині / стиску (12, 3-13, 4)/(32, 0-35, 0) і (11, 7-10, 8)/(29, 0-32, 0) МПа при температурі 75°С через 28 діб), підвищує адгезійну здатність до металу обсадних труб. Цемент, модифікований вапняково-кремнистою породою, є стійким у хлористо-магнієвому (вміст солей 4, 87% за масою у кількості 46, 25 г/л MgCl₂ і 4, 97 г/л MgS0₄) і сульфатно-натрієвому (вміст солей 4, 77% у кількості 30 г/л NaS0₄ і 20 г/л MgS0₄) середовищах, тоді як чистий цемент при 22°С втрачає стійкість у сульфатно-натрієвому сере­довищі. А при температурі 75 °С в сульфатно-натрієвому середовищі всі досліджені взірці є корозійно-стійкими [195]. Враховуючи разові потреби газонафтової галузі України в тампонажних цементах порівняно з міні­мальним технологічно доцільним обсягом заводської партії, варто приго­тування сухих тампонажних сумішей у потрібних для конкретних сверд­ловин кількостях здійснювати на промислових малогабаритних змішу­вальних блоках [196].