Результаты исследований шлакопортландцементных тампонажных составов для крепления скважин при повышенных температурах

Ключевые слова: доменный шлак, температура, схватывание, цементный камень, портландцемент, прочность.

С увеличением глубины бурения увеличивается и температура в скважине. Это вызывает ряд проблем на этапах строительства и последующей эксплуатации скважин. Тампонажный цемент (ТЦ) специально изготавливается для использования при бурении нефтяных скважин для заполнения пространства между стальными отливками и стенкой скважины. Для того чтобы приготовленный из него раствор успел достичь больших глубин нефтяных скважин, ТЦ обычно имеет контролируемое схватывание в условиях высоких температур и давлений. Однако после схватывания он быстро набирает прочность и остается стабильным при высоких температурах. Одним из важных требований перед вводом скважин в эксплуатацию является укрепление обсадных колонн и изоляция пластов путем закачивания тампонажных материалов [1].

Для этих скважин используются облегченные тампонажные цементы, которые изготавливаются путем замены части клинкерного компонента минеральными добавками. Для выбора наиболее подходящего материала при использовании в условиях высоких температур, прочность этих составов имеет первостепенное значение. Проектирование высокостабильного и низкопроницаемого высокопрочного тампонажного камня при температуре выше 120 °C чрезвычайно сложно, поскольку портландцемент претерпевает падение прочности начиная с 110 °C. Для предотвращения этой проблемы в составе раствора требуется введение мелкокристаллического стабилизатора. Основной интерес в этом отношении имеют шлакопортландцементные композиции.

Доменный шлак является побочным продуктом при производстве чугуна. Он обладает скрытыми гидравлическими свойствами, и его реакция активируется повышенными температурами. При смешивании с ПЦТ ДШ ускоряет гидратацию и реагирует с гидроксидом кальция [2]. Кроме того, добавление шлака изменяет микроструктуру камня и приводит к более мелкой структуре пор.

В свое время Мачинским Е.К., Булатовым А.И., Новохатским Д.Ф., Рахимбаевым Ш.М. и др. были предложены для цементирования высокотемпературных скважин тампонажные композиции (ШПЦС-120, ШПЦС-200, УШЦ-120, УШЦ-200 и др.), в составе которых присутствовали различные типы отходов металлургической промышленности, состав которых был представлен шлаками. Однако их нестабильный химический состав, из-за которого происходило падение прочности в интервалах температур от 120 до 150 ^оС, кроме этого, наблюдалась низкая седиментационная устойчивость, а также шлакоцементным растворам была характерна высокая величина фильтратоотдачи.

Устранение указанных недостатков, а также изменившееся положение в промышленности и политических взаимоотношениях между Россией и Украиной стали основанием для поиска альтернативных источников (поставщиков) шлаков доменного производства. Решено было рассмотреть возможности использования гранулированных доменных шлаков ООО «Мечел-Материалы» (г. Челябинск).

Выбор челябинских доменных шлаков был основан на составе доменных шлаков, практически идентичных по составу бездобавочному тампонажному портландцементу, однако при меньшем содержании оксидов кальция и большем – оксидов кремния в химическом отношении, в минералогическом отношении в шлаке наблюдается присутствие двухкальциевого силиката β-модификации. Это подтверждает возможность проведения дальнейший исследований [3].

Методы

На начальном этапе исследований используется замена части портландцемента доменным шлаком в сверхвысокотемпературном цементе, а также определения интервалов варьирования ингредиентов предполагаемой композиции и первичные испытания реологических параметров полученных тампонажных растворов, представленные в таблице 1. Шлакопортландцемент для исследований получили путем смешивания гранулированного доменного шлака и обычного портландцементного клинкера в соответствующих пропорциях и измельчения полученной смеси для получения тщательной и однородной смеси двух компонентов. Компоненты смешивались в сухом виде и затворялись на технической воде при водосмесевом отношении В/С = 0,55, на основе тампонажного материала ПЦТ- I -G-CC-1, параметры были выбраны из условия обеспечения подвижности, седиментационной устойчивости тампонажного раствора. Удельная поверхность шлака составляла 350 м²/кг, портландцемента – 300 м²/кг.

Увеличение седиментационной устойчивости можно объяснить эффектом наполнителя, который обеспечивает дополнительные поверхностные участки для зародышеобразования гидратов, поскольку потребность в воде порошка доменного шлака больше, чем у портландцемента, с дальнейшим увеличением содержания стального шлака свободная вода в тампонажном растворе уменьшается с увеличением содержания порошка стального шлака при определенных условиях потребления воды, что приводит к снижению значения водоотделения.

Полученные результаты подтвердили выдвинутые ранее теоретические предпосылки и явились основанием для проведения более детальных исследований – определения оптимального состава сырьевой композиции, термостойкости продукта твердения, физико-механических свойств тампонажного раствора на его основе и т.д.

Результаты

Многие исследователи изучали использование доменного гранулированного шлака в качестве антирегрессивного агента при высокой температуре. Авторы исследовали поведение прочности на сжатие цементного раствора класса G с добавлением шлака (0, 30, 35 и 40 %) при температуре 28 °C, 120 °C и 260 °C через 7 и 28 дней. В процессе было установлено, что доменный шлак реагирует и вступает в реакцию при высокой температуре от 100 °C, образуя фазу ксонотлита и улучшая механическое поведение, особенно в растворах с 35 % и 40 %.
Некоторые результаты исследований представлены ниже. Прочность крепи служит жизненно важной гарантией безопасности и устойчивости ствола скважины как в условиях нагрузки, так и без нее. Испытываемая прочность сформированного цементного камня охватывает различные типы, включая прочность на сжатие и прочность на изгиб. На рисунке 1 обобщено влияние различных категорий использования доменного шлака на механические характеристики тампонажных материалов, твердевших в течение двух суток при различных температурах (от 60 до 300 ^оС).

Обсуждение

Из результатов исследований ясно виден очевидный факт зависимости гидравлической активности исследуемых составов от температуры окружающей среды и соотношения компонентов. Наибольшая активность шлаковой добавки проявляется при температурах свыше 120 ⁰С, при температуре ниже 100 ⁰С более активен портландцемент.
Результаты также показали, что включение доменного шлака повысило прочность портландцемента на сжатие. Добавление 20–40 % стального шлака было оптимальной дозой. В возрасте трех дней начальная прочность на сжатие образца составила 27 %, что было больше, чем у бездобавочного образца. В возрасте 28 дней образец с 20–40 % легированием достиг максимальной прочности на сжатие 36 МПа.
Подтверждаются выдвинутые ранее теоретические предпосылки о разных механизмах формирования камня, что подтверждается и результатами оценки его термической устойчивости (рисунок 2). При коэффициенте замены 20–40 % прочность на сжатие может достигать 35 МПа, а прочность на изгиб – до 9 МПа.

Заключение

В будущем это исследование может быть расширено, так как было установлено что: - тампонажные растворы на основе разработанного вяжущего вещества характеризуются более низкой водопотребностью и имеют меньшую величину водоотдачи по сравнению с известными.
- высокая температура отверждения повышает прочность на сжатие и изгиб образцов шлакопортландцемента, а также изменяет режимы разрушения образцов, подвергнутых трехточечной изгибающей нагрузке. Разрушение возникает, когда образцы породы-цемента отверждались при 30 °C, и распространяется в цементную матрицу, когда образцы были выдержаны при 60 °C и 90 °C.
- изложенное позволяет считать, что в процессе цементирования, доставки тампонажного раствора в интервалы цементирования в условиях повышенных температур возможны осложнения, связанные с коррозией цементного камня при добыче высковязких нефтей и, соответственно, термическим воздействии на крепь скважины маловероятны, формирование каналов, трещин и т.д., в формирующемся камне и его контактных зонах с обсадной колонной и горной породой сведены к минимуму.
Однако в практических приложениях все еще есть некоторые области, которые можно улучшить.

1. Отбор и обработка образцов: текущее исследование может иметь проблему недостаточного размера выборки или нерепрезентативного выбора выборки. Предлагается добавить больше образцов стального шлака из разных источников и свойств, чтобы улучшить универсальность и надежность результатов исследования.
2. Долгосрочное тестирование производительности: текущие исследования в основном сосредоточены на краткосрочном тестировании производительности. Рекомендуется усилить оценку долгосрочных свойств материалов на основе цемента, таких как испытания на прочность и стабильность, чтобы более полно понять, как стальной шлак ведет себя в практических приложениях (особенно когда речь идет об экспериментах по прочности).

Литература

1. Табатабаи Моради С.Ш. Тампонажные растворы для крепления наклонно направленных скважин в условиях повышенных температур и давлений / С.Ш. Табатабаи Моради, Н.И. Николаев // Проблемы недропользования: 107 Сборник научных трудов международного форума-конкурса молодых ученых: – Санкт Петербург, 2017. – С. 286–288.
2. Ципурский И.Л., Коконова А.А., Данилова Е.Д., Ковченко И.В., Руденко М.И. Доменные гранулированные шлаки при производстве многокомпонентных цементных систем: технология производства и особенности применения // Интернет-журнал «Транспортные сооружения», 2018. – № 1.
Овчинников В.П., Рожкова О.В., Рожкова Д.С., Листак М.В. Прочностные свойства и микроструктура шлакопортландцемента для крепления скважин с повышенными температурами // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ, 2023. – № 1. – С. 60–72.