Министерство  образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное  учреждение высшего профессионального  образования

Санкт-Петербургский  государственный горный университет 
 

КУРСОВАЯ  РАБОТА 
 

По  дисциплине:  Промывочные и тампонажные растворы.

    Тема:            « Портландцементы для тампонирования скважин » 
 
 
 

Автор: студент  гр.  РТ-09       ____________________     /Тежик М.А./

      ^{(подпись)           (Ф.И.О.)} 
 

ОЦЕНКА: _____________ 

Дата: ___________________ 
 
 

ПРОВЕРИЛ

Руководитель      доцент        ___________________          / Блинов П.А./

             ^{(должность)                                  (подпись)                                             (Ф.И.О.)} 
 
 
 
 
 
 

Санкт-Петербург

2011 год

Содержание

Аннотация

     В данной курсовой работе рассказывается о тампонажном растворе, а именно о порталандцементе. Дана классификация тампонажных растворов. Рассмотрены разновидности портландцемента, его состав и свой ства, а также методы его получения. Приведены примеры применения порландцементов.  Представлена таблица.  

     Annotation.

This paper contains information about the drilling agent. There is also given classifications of chisel. Defined varietes of Portland foam, its properties and amounts of usage.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

     Использование тампонажных растворов в бурении  началось сравнительно недавно. История  их использования неразрывно связана  с развитием и совершенствованием вращательного бурения. Потребность в тампонажных растворах возникла при возникновении необходимости ликвидации таких осложнений в процессе вращательного бурения как поглощение промывочной жидкости, водонефтегазопроявление и переток флюидов в заколонном кольцевом пространстве из одного пласта в другой. Впервые проблема герметизации заколонного пространства была разрешена инженером А.А. Богушевским в 1905 г. с помощью способа закачки цементного раствора в обсадную колонну с последующим вытеснением через ее башмак в затрубное пространство. Этот способ цементирования быстро распространился в отечественной и зарубежной практике и применяется до настоящего времени, непрерывно совершенствуясь по пути применения новых тампонажных смесей и использования нового технологического оборудования.

     В целях создания эффективных способов изоляции поглощающих горизонтов и  цементирования обсадных колонн постоянно  ведутся исследования в этой области, и разрабатывается большое количество новых тампонажных растворов  и новые технологические приемы цементирования. Портландцемент – основной тампонажный раствор. Портландцемент имеет множество разновидностей и широко применяется при тампонировании скважин.

Исследованиями  в области теории и практики промывочных  жидкостей и тампонажных смесей занимались и занимаются в настоящее время большие коллективы отечественных ученых и специалистов. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.1 ТАМПОНАЖНЫЙ РАСТВОР, ФАКТОРЫ, ВЛИЛЯЮЩИЕ НА ВЫБОР ТАМПОНАЖНОГО РАСТВОРА, ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ.

     К наиболее важным факторам, определяющим выбор тампонажных материалов, следует отнести температуру в скважине и перепад температур между верхней и нижней отметками глубины расположения тампонажного раствора.

     Температура окружающей среды определяет в основном выбор того или иного типа тампонажного материала (портландцемент, глиноземистый цемент, шлаковый цемент и т.д.), а перепад температур – выбор рецептуры тампонажного раствора, обеспечивающей одновременное его схватывание по всей протяженности изолируемого интервала скважины.

     Важное значение как для технологии проведения тампонажных работ, так и для процесса твердения камня в стволе скважины имеет давление. Обычно давление жидкостей и газов в недрах приблизительно равно условному гидростатическому, за величину которого принимается давление столба пресной воды, равного по высоте глубине залегания насыщенного жидкостью или газом пласта. Однако встречаются пласты с аномально низким и аномально высоким пластовым давлением.

     Один  из важнейших факторов, определяющих выбор вида и состава тампонажного материала, – химический состав окружающей среды, особенно наличие в ней воды, хорошо растворимых солей, кислых газов. Это главный фактор, влияющий на долговечность тампонажного материала.

     В качестве тампонажных материалов применяются  минеральные вяжущие вещества и органические полимеризующиеся материалы, называемые органическими связующими.

     Области применения тампонажных материалов:

     · для изоляции затрубного пространства обсадных колонн глубоких скважин;

     · для ликвидации поглощений промывочной жидкости и водопроявлений;

     · для поддержания устойчивости ствола скважины;

     · для установки разделительных мостов, консервации и ликвидации скважин.

     Температурные условия применения тампонажных  материалов: для низких температур (< 15 °С); для нормальных температур (15-40 °С); для повышенных температур (40-90 °С); для высоких температур (90-160 °С); для сверхвысоких температур (> 160 °С).

     По  плотности приготовляемых растворов  тампонажные материалы делятся  на: нормальные (1650-1950 кг/м³); облегченные (1400-1700 кг/м³); легкие (< 1400 кг/м³); утяжеленные (1950-2300 кг/м³); тяжелые (> 2300 кг/м³).

     По  особым свойствам тампонажные материалы  классифицируются: быстросхватывающиеся; медленносхватывающиеся; коррозионно-стойкие  к определенным средам; расширяющиеся; с закупоривающими свойствами; с особо высокой подвижностью; с низкой водоотдачей; армированные волокнами. 

1.2. Минеральные вяжущие вещества 

     В качестве тампонажных материалов в  настоящее время широко применяются  минеральные вяжущие вещества –  порошкообразные продукты, образующие при так называемом затворении, т.е. при смешивании с водой или водными растворами солей, нерасслаивающиеся суспензии, способные к затвердеванию. Природа твердения таких суспензий сложна и многообразна. В ее основе лежит чаще всего химическая реакция между частицами порошка (твердой фазы суспензии) и жидкостью затворения (жидкой фазой суспензии), приводящая к следующему:

     · значительному увеличению объема твердой фазы за счет химической реакции присоединения к ней жидкой фазы;

     · повышению дисперсности твердой фазы, сопровождающемуся многократным увеличением поверхности раздела фаз, а следовательно, к росту числа контактов между частицами твердой фазы, причем в местах контакта частицы сращиваются;

     · образованию тонкокристаллической структуры тампонажного камня.

     К минеральным вяжущим веществам  относят также жидкие или водорастворимые  материалы, способность к затвердению  которых проявляется при смешивании их с растворами других химических веществ. В смеси растворов таких  веществ происходит химическая реакция, в результате которой выпадает тонкодисперсный твердый осадок.

     Большинство из известных минеральных вяжущих  веществ может быть использовано в качестве базовых тампонажных  материалов. К важнейшим из них  относятся: портландцемент; глиноземистый и гипсоглиноземистый цементы; гипсовые вяжущие вещества; металлургические шлаки; кальциево-силикатные вяжущие вещества гидротермального твердения; магнезиальные вяжущие вещества; вяжущие вещества на основе водорастворимых силикатов; органо-минеральные связующие на основе полимеров и др.

     Согласно  ГОСТ 25597-83 «Цементы тампонажные. Классификация» тампонажные цементы подразделяются по следующим основным признакам:

     · по вещественному составу – портландцемент (без добавок); портландцементы с минеральными добавками не более 20 %; портландцементы с минеральными добавками от 20 до 80 %; глиноземистые цементы; бесклинкерные цементы;

     · по температуре применения – для низких температур (< 15 °С); для нормальных температур (15-50 °С); для умеренных температур (50-100 °С); для повышенных температур (100-150 °С); для высоких температур (150-250 °С); для сверхвысоких температур (> 250 °С); для циклически меняющихся температур;

     · по стойкости к агрессивному воздействию – стойкие к сульфатным средам; стойкие к кислым (углекислая, сероводородная) средам; стойкие к магнезиальным средам; стойкие к полиминеральным средам;

     · по величине собственных объемных деформаций при твердении – без особых требований; безусадочные (величина линейной деформации после 3 сут твердения до 0,1 %); расширяющиеся (величина линейной деформации после 3 сут твердения более 0,1 %).  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. ПОРТЛАНДЦЕМЕНТЫ

2.1 ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ И ЕГО РАЗНОВИДНОСТИ

     Портландцемент  представляет собой порошок определенного минералогического состава, получаемый путем тонкого измельчения клинкера смеси обожженных до спекания известняка, глины и других горных пород, способный при затворении водой образовывать вяжущую массу, затвердевающую в водной и воздушной среде.

     Промышленностью выпускаются следующие разновидности портландцемента, используемые в бурении:

       · портландцемент общестроительного назначения марок 400, 500, 550 и 600;

     · высокопрочный портландцемент марок 600, 700 и 800, характеризующийся повышенным содержанием алита, более тонким измельчением и небольшим (до 5 %) содержанием активных минеральных добавок;

     · быстротвердеющий портландцемент, характеризующийся быстрым нарастанием прочности в начальные сроки твердения (до 7 сут); цементы марок 400, 500, 700;

     · сульфатостойкий портландцемент, отличающийся строго нормированным составом клинкера (ограничивается содержанием алита и трехкальциевого алюмината) и повышенной коррозионной стойкостью и сульфатостойкостью;

     · дорожный портландцемент с высоким содержанием алита и ограниченным расчетным содержанием трехкальциевого алюмината (до 10 %), как добавку содержит обычно доменный шлак;

     · пластифицированный портландцемент, содержащий пластифицирующую добавку, в качестве которой используют поверхностно-активные вещества (понизители вязкости) в количестве 0,1-0,4 %; эти цементы образуют весьма подвижные суспензии, обладающие замедленным твердением;

     · гидрофобный портландцемент с добавками, уменьшающими гидратацию цементных зерен в процессе длительного хранения; в качестве гидрофобизирующих добавок используются олеиновая кислота, асидол, мылонафт в количестве 0,1-0,3 %;

     · песчанистый портландцемент, получаемый путем совместного помола кварцевого песка (25-40 %) с портландцементным клинкером и гипсом и характеризующийся термостойкостью в гидротермальных условиях, однако обладающий плохой седиментационной устойчивостью и замедленным твердением;

     · шлакопортландцемент, содержащий, кроме клинкера и гипса, доменный гранулированный шлак в количестве 30-60 % и отличающийся повышенной коррозионной стойкостью к солям и сульфатам, замедленным схватыванием и твердением при незначительных температурах; при высоких температурах интенсивность структурообразования значительно возрастает;

     · пуццолановый портландцемент с добавками осадочного (20-30 %) или вулканического (25-40 %) происхождения (опоки, трепелы, диатомиты, глиежи, т.е. глины естественные жженые, пемзы, вулканические шлаки, вулканические пеплы, туфы, порфироиды), обладает пониженной интенсивностью твердения при низких температурах и ускоренным твердением при высоких.

2.1 СОСТАВ И СВОЙСТВА ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА

     Тампонажный портландцемент представляет собой  разновидность портландцемента  – порошкообразного минерального неорганического  вяжущего материала, состоящего главным  образом из высокоосновных силикатов кальция. Благодаря их особым свойствам, а также свойствам других искусственных минералов, входящих в состав портландцемента (алюминатов, ферритов кальция и др.), порошок портландцемента при смешивании с водой образует легкоподвижную и нерасслаивающуюся в определенном диапазоне концентраций суспензию, которая с течением времени превращается в твердое камневидное тело.

     Минералы  портландцемента возникают в  результате высокотемпературного обжига сырьевой смеси, содержащей в строго определенном соотношении щелочной оксид – окись кальция (СаО) и кислотные оксиды – окись кремния (SiO₂), окись алюминия (Аl₂О₃) и окись железа (обычно Fе₂О₃).

     Источником окиси кальция при производстве портландцемента служат, главным образом, известняк и мел, но могут применяться и другие природные материалы, например гипс, или промышленные отходы, дающие при обжиге окись кальция.

     Источником  кислотных оксидов являются чаще всего глины. В зависимости от присутствующих в них примесей (кварц, карбонаты и пр.) они содержат, %: 40-60 SiO₂; 10-20 Аl₂О₃; 5-7 Fе₂О₃; 2-15 СаО.

     Однако  при применении сырьевой смеси, состоящей  только из двух компонентов – известкового и глинистого, часто не удается получить высококачественный портландцемент. Чтобы получить портландцемент с необходимыми свойствами, в сырьевую смесь вводят так называемые корректирующие добавки. В их составах преобладает какой-либо один кислотный оксид – SiO₂, Аl₂О₃ или Fе₂О₃.

     Существует  два способа обработки исходного  сырья – сухой и мокрый. По сухому способу сырьевые материалы  высушиваются до влажности 1,5-2 %, дозируются и измельчаются в шаровых мельницах до порошка с размерами частиц не более 100 мк, который затем пневматическим путем тщательно перемешивается до получения однородной смеси.

     Обжиг сырьевой смеси, приготовленной по сухому способу, производится в шахтных или вращающихся печах. Перед подачей в шахтные печи и конвейерный кальцинатор смесь гранулируется, для чего смачивается водой до влажности 10-12 %. Вследствие частичного расплавления обжигаемого материала и вращения печи продукт обжига получается в виде плотных гранул размером 10-30 мм.

     Полученный  в печи полуфабрикат, называемый портландцементным  клинкером, охлаждается воздухом в  специальном холодильнике. После  охлаждения клинкер дробят, а затем  размалывают в шаровых мельницах  до тонкого порошка, который и представляет собой цемент.

     При мокром способе производства сырьевые материалы измельчают с одновременным  добавлением к ним воды. В результате сырьевая смесь получается в виде пульпы сметанообразной консистенции (содержание воды 35-40 %), которая может перекачиваться насосами и перемешиваться сжатым воздухом. Это создает благоприятные условия для получения более однородной смеси. Возможность получения хорошо гомогенизированной сырьевой смеси является основным преимуществом мокрого способа производства. Недостатком его является дополнительный расход топлива на испарение воды, добавленной для получения пульпы.

     При мокром способе производства сырьевая смесь обжигается в длинных вращающихся  печах, снабженных различными встроенными  теплообменными устройствами. По мере продвижения внутри печи сырьевая смесь под действием горячих газов постепенно высушивается и нагревается. Температура обжигаемого материала при этом составляет около 1400-1500 °С.

     Для свойств образовавшегося клинкера большое значение имеет скорость охлаждения. Быстрое охлаждение приводит к тому, что часть расплава не успевает кристаллизоваться и остается в виде так называемого клинкерного стекла, а образовавшиеся минералы фиксируются в своих высокотемпературных формах, отличающихся повышенной химической активностью.

     Указанные выше четыре главных оксида содержатся в портландцементном клинкере обычно в следующих количествах, %: 60-75 СаО; 17-25 SiO₂; 3-8 Аl₂О₃; 2-6 Fе₂О₃.

     Содержание  других оксидов, попадающих в клинкер  из сырья и являющихся примесями, колеблется в следующих пределах, %: 0,1-5,5 MgO; 0,5-1,3 К₂O + Na₂O; 0,3-1,0 SO₃; 0,2-0,5 TiO₂; 0,1-0,3 Р₂О₅.

     В процессе обжига все указанные оксиды вступают во взаимодействие друг с  другом, образуя искусственные минералы портландцемента, так называемые клинкерные минералы.

     Трехкальциевый  силикат является важнейшим минералом портландцементного клинкера, в котором он содержится обычно в количестве 40-65 %.

     Двухкальциевый  силикат (2СаО × SiO₂) имеет молекулярную массу 172,22, содержит 65,1 % СаО и 34,9 % SiO₂. Он известен в четырех полиморфных формах – a, a¢, β и γ, устойчивых при различных температурах.

     Трехкальциевый  алюминат (3СаО × А1₂О₃), наиболее активный из клинкерных минералов, имеет молекулярную массу 270,18, содержит 62,3 % СаО и 37,7 % А1₂О₃. В нормально охлажденном портландцементном клинкере трехкальциевый алюминат кристаллизуется неполностью. Значительная часть его остается в клинкерном стекле. Содержание трехкальциевого алюмината в клинкере может достигать 15 %.

     Четырехкальциевый алюмоферрит (4СаО × А1₂О₃ × Fе₂О₃) – железосодержащий клинкерный минерал. Молекулярная масса 4СаО × А1₂О₃ × Fе₂О₃ составляет 485,94, содержание оксидов: СаО – 46,1, А1₂О₃ – 21,0, Fе₂О₃ – 32,9 %. В большинстве портландцементов содержание четырехкальциевого алюмоферрита находится в пределах 10-25 %.

     Свободная окись кальция (СаО) появляется в клинкере в результате незавершенности процесса минералообразования. Причиной этого может быть неправильное соотношение между компонентами сырьевой смеси, недостаточная его гомогенность и неполный обжиг. Свободная окись кальция, обожженная при высокой температуре, после затворения цемента водой медленно гидратируется (присоединяет воду), превращаясь в гидроокись кальция Са(ОН)₂.

     Свободная окись магния (MgО), обожженная при высокой температуре (периклаз), как и свободная СаО, гидратируется в уже затвердевшем цементном камне (после шести месяцев при температуре 22 °С) с увеличением объема твердой фазы, что также может вызвать его растрескивание. Поэтому содержание окиси магния в сырье для производства портландцемента ограничивается определенными пределами.

     В обычных портландцементах содержание MgО не должно превышать 5 %.

     Щелочные  оксиды (Na₂O и К₂О) попадают в цементную сырьевую смесь в основном вместе с глиной в составе полевых шпатов и глинистых минералов. Значительная часть их улетучивается при обжиге, а остальное количество входит в состав нескольких соединений. Как в исходных сырьевых материалах, так и в клинкере, K₂О обычно содержится в несколько раз больше, чем Na₂O.

     Другие  примеси, попадающие в портландцементный клинкер с сырьем или в ходе технологического процесса (SO₃, TiО₂, P₂O₅, Cr₂O₃, МnO₂ и др.), в случае повышенного содержания могут влиять на процесс минералообразования при обжиге. В большинстве случаев это влияние считается вредным.

     Известно, что высокая прочность цементного камня обусловлена главным образом  особыми свойствами гидросиликатов кальция. Остальные составные части  цементного камня играют второстепенную, а во многих случаях и вредную  роль. Поэтому лучшим цементом был бы такой, в котором содержались только двухкальциевый (β-2СаО × SiO₂) и трехкальциевый (3СаО × SiO₂) силикаты. Однако в промышленном масштабе такой цемент получить очень трудно. Важнейший минерал – трехкальциевый силикат – достаточно быстро образуется путем кристаллизации из жидкой фазы – расплава. Если бы исходные материалы содержали только два оксида – СаО и SiO₂, то расплавление такой смеси происходило бы при температуре выше 2000 °С, при которой этот минерал становится неустойчивым. Присутствие в сырьевой смеси окиси железа (Fе₂О₃) и глинозема (А1₂O₃) снижает температуру плавления до 1300 °С и делает возможным образование трехкальциевого силиката через расплав. Образующиеся при этом трехкальцевый алюминат (3CaO × Al₂O₃) и четырехкальциевый алюмоферрит (4СаО × А1₂О₃ × Fe₂O₃) называются минералами-плавнями.

     Из  минералов-силикатов высокой гидратационной активностью отличается трехкальциевый силикат. Двухкальциевый силикат, напротив, является самым медленнотвердеющим минералом из четырех основных минералов портландцементного клинкера. Однако его присутствие необходимо для повышения долговечности цементного камня. Реакции гидратации всех минералов портландцементного клинкера протекают со значительным выделением тепла. Считается, что в клинкере высококачественного портландцемента содержание минералов-силикатов должно в сумме составлять около 75 %, а содержание минералов-плавней около 25 %.

     Для обеспечения доступа воды к минералам  портландцементного клинкера, его измельчают в тонкий порошок. Тонкость измельчения имеет очень большое значение. Скорость реакции гидратации зависит от размера суммарной поверхности частиц цемента. Чем тоньше измельчают цемент, тем больше суммарная поверхность частиц и быстрее протекают реакции гидратации, обеспечивающие быстрое твердение. Для получения цемента хорошего качества недостаточно лишь тонко измельчать клинкер. Большое значение имеют вводимые при помоле добавки. Цемент из чистого клинкера, затворенный 30 % воды, способен схватиться за несколько минут, но образующийся при этом камень обладает невысокой прочностью. Для регулирования скорости схватывания в цемент при помоле вводят гипс (CaSO₄ × 2Н₂О). В зависимости от вида портландцемента в его состав при помоле одновременно с гипсом вводится ряд других добавок, главным образом минерального происхождения.

     Активные  минеральные добавки представляют собой как природные, так и  искусственные материалы, способные  в измельченном виде химически связывать  гидроокись кальция, выделяющуюся при  твердении портландцемента. К активным минеральным добавкам осадочного происхождения относятся диатомиты, а также глиежи – обожженные в результате подземных пожаров глинистые породы. Группа активных минеральных добавок вулканического происхождения включает в себя пеплы (рыхлые алюмосиликатные породы), туфы (уплотненные пеплы), витрофиры (вулканическое стекло), пемзу (вспученное вулканическое стекло), трассы (метаморфизованные вулканические туфы).

     В качестве добавки в портландцементы  разрешается вводить доменные гранулированные шлаки коксовой плавки. К числу добавок искусственного происхождения помимо шлаков относятся белитовый (нефелиновый) шлам – отход производства глинозема из нефелинового сырья и зола-унос, получающаяся в пылевидном состоянии при сжигании некоторых видов твердого топлива. В обычном портландцементе содержание активных минеральных добавок не превышает 15 %, но в специальных цементах, таких как пуццолановые портландцементы, оно может доходить до 45 %. Шлака в шлакопортландцементе содержится до 70 %. Чтобы цемент в меньшей степени терял свои свойства при хранении, к нему добавляют органические гидрофобизирующие вещества.

     При смешивании портландцемента с водой  минералы клинкера вступают с ней  в химическое взаимодействие, в результате чего образуются различные содержащие воду вещества, так называемые продукты гидратации. Свойствами этих веществ, а также особенностями процесса их возникновения и обусловлена способность цементного раствора к превращению в твердое тело – искусственный камень.