Химические добавки для цементных растворов. Классификация, свойства и применение

© Никита Евгеньевич Тарасов, 2025

ISBN 978-5-0067-6826-0

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

«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).

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «Литрес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на Литрес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.