Таблица: Классификация цементов Таблица: Функциональные добавки Классификация тампонажных портландцементов Тип цемента Состав и характеристика Температурный диапазон применения Обозначение по ГОСТ 1581-2019 Тип I Бездобавочный портландцемент 15-50°C (ПЦТ I-50), 51-100°C (ПЦТ I-100) ПЦТ I-50, ПЦТ I-100 Тип I-G Бездобавочный с водоцементным отношением 0,44 51-100°C ПЦТ I-G Тип I-H Бездобавочный с водоцементным отношением 0,38 101-150°C ПЦТ I-H Тип II С минеральными добавками от 6 до 20 процентов 15-50°C (ПЦТ II-50), 51-100°C (ПЦТ II-100) ПЦТ II-50, ПЦТ II-100 Тип III облегченный Со специальными добавками, плотность 1,53 г/см³ 15-150°C ПЦТ III-Об5-50, ПЦТ III-Об5-100 Тип III утяжеленный Со специальными добавками, плотность 2,14 г/см³ 15-150°C ПЦТ III-Ут1-50, ПЦТ III-Ут1-150 Функциональные добавки для тампонажных растворов Тип добавки Назначение Примеры Замедлители твердения Увеличение времени загустевания при температуре выше 60 градусов для портландцементов, выше 100 градусов для шлаковых цементов Лигносульфонаты технические, нитрилотриметилфосфоновая кислота Ускорители твердения Сокращение времени загустевания и повышение ранней прочности при низких температурах Хлорид кальция, хлорид натрия, нитрат кальция, карбонат калия Понизители плотности Снижение плотности раствора для предотвращения гидроразрыва пластов с аномально низкими давлениями Микросферы алюмосиликатные, бентонитовая глина, диатомит Утяжелители Увеличение плотности раствора для скважин с аномально высоким пластовым давлением Барит, гематит, железорудный концентрат, ильменит Пластификаторы Улучшение текучести и снижение водоотдачи тампонажного раствора Сульфацелл, Камцелл, С-3, поликарбоксилатные эфиры Гидрофобизаторы Повышение водонепроницаемости и коррозионной стойкости цементного камня Кремнийорганические соединения, стеараты металлов Содержание статьи Классификация тампонажных портландцементов по ГОСТ 1581-2019 Международные стандарты API Specification 10A Функциональные добавки для регулирования свойств Технология цементирования нефтяных и газовых скважин Методы контроля качества цементирования Нормативные требования к тампонажным работам Часто задаваемые вопросы Классификация тампонажных портландцементов по ГОСТ 1581-2019 Государственный стандарт ГОСТ 1581-2019 регламентирует технические условия производства и применения портландцементов тампонажных, предназначенных для цементирования нефтяных, газовых и других скважин. Документ действует с первого января две тысячи двадцать второго года и заменил предыдущую редакцию ГОСТ 1581-96. Стандарт устанавливает пять основных типов тампонажных портландцементов, различающихся по составу, температурному диапазону применения и наличию специальных добавок. Тип I – бездобавочный портландцемент Портландцемент тампонажный бездобавочный изготавливается исключительно из портландцементного клинкера и гипсового камня без введения минеральных добавок. Для низких и нормальных температур применяют ПЦТ I-50 с температурным диапазоном от 15 до 50 градусов Цельсия, для умеренных температур используют ПЦТ I-100 с рабочим интервалом от 51 до 100 градусов Цельсия. Минералогический состав клинкера строго контролируется: для сульфатостойких цементов содержание трехкальциевого алюмината не должно превышать 5 процентов, сумма трехкальциевого алюмината и четырехкальциевого алюмоферрита должна быть не более 22 процентов. Типы I-G и I-H – цементы с нормированным водоцементным отношением Цементы типов I-G и I-H характеризуются строго нормированными требованиями при определенном водоцементном отношении. Тип I-G предназначен для умеренных температур от 51 до 100 градусов с водоцементным отношением 0,44, тип I-H применяется при повышенных температурах от 101 до 150 градусов с водоцементным отношением 0,38. Эти марки отличаются повышенной сульфатостойкостью и широко используются при креплении скважин в агрессивных пластовых условиях. Тип II – цемент с минеральными добавками Портландцемент тампонажный типа II содержит от 6 до 20 процентов минеральных добавок, которые повышают водонепроницаемость и коррозионную стойкость цементного камня. Минеральные добавки связывают выделяющийся при гидратации гидрат окиси кальция, способствуют улучшению реологических свойств тампонажного раствора. Производятся марки для низких температур ПЦТ II-50 и умеренных температур ПЦТ II-100 с температурными диапазонами от 15 до 50 и от 51 до 100 градусов соответственно. Тип III – цементы со специальными добавками Тампонажные портландцементы типа III содержат специальные добавки от 6 до 70 процентов для регулирования плотности цементного теста. Облегченные цементы с плотностью 1,53 грамма на кубический сантиметр применяются при цементировании скважин с зонами аномально низких пластовых давлений для предотвращения гидроразрыва пласта. Утяжеленные цементы с плотностью 2,14 грамма на кубический сантиметр используются в скважинах с аномально высокими пластовыми давлениями для обеспечения противодавления на продуктивные горизонты. Важные технические требования Время загустевания тампонажного раствора до консистенции 100 единиц Бердена должно составлять не менее 90 минут для обеспечения безопасной закачки. Прочность цементного камня при сжатии через 8 часов твердения при температуре 38 градусов должна достигать минимум 2,1 мегапаскаля для типов I-G и I-H. Международные стандарты API Specification 10A Американский институт нефти выпустил спецификацию API Specification 10A двадцать пятое издание в марте две тысячи девятнадцатого года с последующими дополнениями Addendum 1 в декабре две тысячи девятнадцатого года и Addendum 2 в августе две тысячи двадцать второго года. Документ регламентирует требования к тампонажным цементам и материалам для цементирования скважин, применяемым в международной нефтегазовой промышленности. Класс G – универсальный цемент Цемент класса G представляет собой универсальный тампонажный портландцемент с нормированными требованиями при водоцементном отношении 0,44, предназначенный для применения при умеренных температурах от 51 до 100 градусов Цельсия. Характеризуется умеренной сульфатостойкостью, может использоваться с различными добавками для расширения температурного диапазона применения. Минералогический состав обеспечивает стабильные технологические свойства при различных скважинных условиях. Класс H – высокотемпературный цемент Цемент класса H предназначен для высокотемпературных скважин и характеризуется нормированными требованиями при водоцементном отношении 0,38. Применяется при повышенных температурах от 101 до 150 градусов Цельсия. Обладает повышенной прочностью и стойкостью к термическим воздействиям. Сульфатостойкость тампонажных цементов Цементы классов G и H подразделяются по сульфатостойкости на две категории. Высокая сульфатостойкость обозначается СС-1 и требует содержания трехкальциевого алюмината не более 3 процентов. Умеренная сульфатостойкость обозначается СС-2 и допускает содержание трехкальциевого алюмината до 8 процентов. Сульфатостойкие цементы применяются при наличии агрессивных пластовых флюидов с повышенным содержанием сульфатов. Функциональные добавки для регулирования свойств Функциональные добавки вводятся в тампонажный раствор для регулирования технологических параметров цементирования и физико-механических свойств цементного камня. Подбор компонентного состава осуществляется на основании геолого-технических условий конкретной скважины с учетом температуры циркуляции, порового давления, наличия зон осложнений. Регуляторы времени загустевания Замедлители твердения применяются при температурах выше 60 градусов для портландцементов и выше 100 градусов для шлаковых цементов. Лигносульфонаты технические увеличивают время загустевания за счет адсорбции на поверхности частиц цемента и образования защитных пленок. Нитрилотриметилфосфоновая кислота эффективна при высоких температурах и агрессивных средах. Ускорители твердения используются при низких температурах для сокращения времени ожидания затвердевания цемента. Хлорид кальция в концентрации от 1 до 3 процентов повышает раннюю прочность и сокращает сроки схватывания. Регуляторы плотности раствора Понизители плотности применяются для предотвращения гидроразрыва пластов с аномально низкими давлениями. Микросферы алюмосиликатные представляют собой полые керамические шарики диаметром от 10 до 300 микрометров, снижающие плотность раствора до 1,53 грамма на кубический сантиметр. Бентонитовая глина в концентрации до 12 процентов от массы цемента облегчает раствор и улучшает водоудерживающую способность. Утяжелители увеличивают плотность раствора для обеспечения противодавления в скважинах с аномально высоким пластовым давлением. Барит с плотностью 4,2 грамма на кубический сантиметр и гематит с плотностью 5,1 грамма на кубический сантиметр позволяют получить тампонажные растворы плотностью до 2,14 грамма на кубический сантиметр. Улучшители технологических свойств Пластификаторы снижают водоотдачу тампонажного раствора и улучшают его текучесть без увеличения водоцементного отношения. Сульфацелл и Камцелл представляют собой натриевые соли карбоксилметилцеллюлозы, эффективные при концентрации от 0,3 до 1,5 процента от массы цемента. Поликарбоксилатные эфиры обеспечивают суперпластифицирующий эффект при минимальной дозировке. Гидрофобизаторы повышают водонепроницаемость цементного камня и защищают его от коррозионного воздействия пластовых флюидов. Кремнийорганические соединения в концентрации от 0,1 до 0,3 процента образуют гидрофобную пленку на поверхности пор. Технология цементирования нефтяных и газовых скважин Цементирование обсадных колонн нефтяных и газовых скважин представляет собой комплекс технологических операций по заполнению затрубного пространства тампонажным раствором для обеспечения изоляции продуктивных пластов от водоносных горизонтов, предотвращения межпластовых перетоков, защиты обсадной колонны от коррозионного воздействия. Первичное цементирование Первичное цементирование производится сразу после спуска обсадной колонны на проектную глубину. Подготовка к цементированию включает промывку ствола скважины от выбуренной породы и глинистой корки, установку центрирующих устройств для обеспечения равномерного распределения цементного раствора в затрубном пространстве. Приготовление тампонажного раствора осуществляется на цементировочном агрегате с автоматическим дозированием компонентов и контролем плотности. Закачка раствора производится через цементировочную головку с разделительными пробками для предотвращения смешивания бурового раствора с тампонажным. Одноступенчатое и многоступенчатое цементирование Одноступенчатое цементирование применяется при небольшой глубине скважины и отсутствии зон осложнений. Тампонажный раствор закачивается единовременно с продавкой буровым раствором до выхода разделительной пробки на посадочное место. Многоступенчатое цементирование используется в глубоких скважинах при необходимости применения различных типов цементов для разных интервалов. Ступенчатые муфты устанавливаются на обсадной колонне на заданных глубинах для последовательной закачки порций тампонажного раствора различного состава. Вторичное цементирование Вторичное цементирование производится для ликвидации каналов в цементном камне, восстановления герметичности обсадной колонны, изоляции обводненных или выработанных пластов. Операция выполняется методом закачки тампонажного раствора под давлением через отверстия в обсадной колонне или путем установки цементных мостов. Контроль качества вторичного цементирования осуществляется акустическими и радиометрическими методами геофизических исследований. Методы контроля качества цементирования Контроль качества цементирования обсадных колонн обеспечивает оценку степени заполнения затрубного пространства цементным раствором, определение высоты подъема цемента, выявление каналов и разрывов сплошности цементного кольца. Геофизические методы исследований проводятся через двадцать четыре часа после окончания цементирования для обеспечения достаточного затвердевания цементного камня. Акустическая цементометрия Акустическая цементометрия основана на регистрации амплитуды продольной волны, распространяющейся по обсадной колонне. При хорошем качестве цементирования акустическая волна затухает в цементном камне, при отсутствии цемента амплитуда волны остается высокой. Аппаратура акустической цементометрии АКЦ содержит излучатель и приемники, расположенные на фиксированном расстоянии. Интерпретация результатов позволяет выделить интервалы хорошего цементирования, частичного заполнения затрубного пространства и отсутствия цемента. Термометрия скважин Термометрия скважин регистрирует аномалии температурного поля, связанные с экзотермической реакцией гидратации цемента. Температурная кривая в интервале качественного цементирования характеризуется повышенными значениями за счет тепловыделения при твердении цемента. Термометрические исследования проводятся в динамическом режиме с записью температурных кривых через определенные интервалы времени после окончания цементирования. Сравнительный анализ термограмм позволяет оценить динамику тепловыделения и прогнозировать прочностные характеристики цементного камня. Гамма-гамма цементометрия Гамма-гамма цементометрия применяется для определения плотности вещества в затрубном пространстве. Метод основан на регистрации рассеянного гамма-излучения, интенсивность которого зависит от плотности среды. Цементный камень имеет плотность от 1,8 до 2,2 грамма на кубический сантиметр, буровой раствор от 1,1 до 1,4 грамма на кубический сантиметр. Гамма-гамма цементометрия эффективна для контроля цементирования в условиях, когда акустические методы дают неоднозначные результаты. Применяется в комплексе с акустической цементометрией для повышения достоверности оценки качества тампонажных работ. Нормативные требования к тампонажным работам Проведение работ по цементированию нефтяных и газовых скважин регламентируется федеральными нормами и правилами в области промышленной безопасности. ФНП № 534, утвержденные приказом Ростехнадзора от 15 декабря 2020 года с изменениями от 31 января 2023 года, устанавливают требования безопасности к процессу крепления ствола скважины. Требования к проектированию Рабочий проект производства буровых работ должен содержать программу цементирования с обоснованием выбора типа тампонажного цемента, расчетом объемов материалов, технологией приготовления и закачки раствора. Конструкция скважины определяется с учетом геологического разреза, наличия зон осложнений, пластовых давлений и температур. Количество обсадных колонн и глубины их спуска обосновываются необходимостью изоляции несовместимых по условиям эксплуатации пластов. Контроль технологических параметров В процессе цементирования обязателен контроль плотности тампонажного раствора, времени загустевания, водоотделения, растекаемости. Испытания проводятся в соответствии с ГОСТ 26798.1 для цементов типов I, II, III и ГОСТ 26798.2 для цементов типов I-G и I-H. Документирование параметров цементирования включает регистрацию давления закачки, объемов прокачанных жидкостей, времени технологических операций. Отклонения фактических показателей от проектных анализируются для корректировки технологии на последующих скважинах. Приемка выполненных работ Приемка работ по цементированию осуществляется после проведения геофизических исследований и получения удовлетворительных результатов контроля качества. Критерии оценки включают высоту подъема цемента за колонной, степень заполнения затрубного пространства, отсутствие критических дефектов цементного кольца. При неудовлетворительном качестве цементирования планируются и проводятся дополнительные изоляционные работы методами вторичного цементирования. Часто задаваемые вопросы Какие основные типы тампонажных цементов существуют по ГОСТ 1581-2019? ГОСТ 1581-2019 устанавливает пять типов тампонажных портландцементов. Тип I представляет собой бездобавочный портландцемент для температур от 15 до 100 градусов. Типы I-G и I-H являются бездобавочными с нормированным водоцементным отношением 0,44 и 0,38 соответственно. Тип II содержит от 6 до 20 процентов минеральных добавок. Тип III включает специальные добавки для регулирования плотности цементного теста от 1,53 до 2,14 грамма на кубический сантиметр. В чем различие между классами G и H по API Specification 10A? Класс G представляет собой универсальный цемент с водоцементным отношением 0,44, применяемый в широком диапазоне условий при умеренных температурах от 51 до 100 градусов. Класс H предназначен для высокотемпературных скважин с водоцементным отношением 0,38, обладает повышенной прочностью и применяется при повышенных температурах от 101 до 150 градусов Цельсия. Оба класса характеризуются высокой сульфатостойкостью. Какие добавки применяются для замедления твердения цемента? Замедлители твердения применяются при температурах выше 60 градусов для портландцементов и выше 100 градусов для шлаковых цементов. Лигносульфонаты технические являются наиболее распространенными замедлителями и применяются в концентрации от 0,1 до 1,0 процента от массы цемента. Нитрилотриметилфосфоновая кислота эффективна при высоких температурах и агрессивных средах. Органические кислоты используются в специальных составах для экстремальных условий цементирования. Как выбрать тип цемента для конкретной скважины? Выбор типа цемента основывается на температуре циркуляции на забое скважины, поровом давлении, градиенте гидроразрыва, наличии осложнений в виде поглощений или обвалов, агрессивности пластовых флюидов. Для низких и нормальных температур от 15 до 50 градусов применяют ПЦТ I-50 или ПЦТ II-50, для умеренных температур от 51 до 100 градусов используют ПЦТ I-100, для повышенных температур от 101 до 150 градусов требуется ПЦТ III-150 или класс H. При наличии сульфатной агрессии необходимы сульфатостойкие марки. Какие методы контроля качества цементирования существуют? Основными методами контроля качества цементирования являются акустическая цементометрия, термометрия и гамма-гамма цементометрия. Акустическая цементометрия регистрирует амплитуду продольной волны для оценки сцепления цемента с обсадной колонной. Термометрия фиксирует тепловыделение при гидратации цемента. Гамма-гамма цементометрия определяет плотность вещества в затрубном пространстве. Комплексное применение методов обеспечивает достоверную оценку качества тампонажных работ. Сколько времени требуется для затвердевания тампонажного раствора? Время твердения зависит от температуры и состава раствора. Для цементов типов I-G и I-H прочность при сжатии через 8 часов твердения при температуре 38 градусов должна составлять минимум 2,1 мегапаскаля, при температуре 60 градусов минимум 10,3 мегапаскаля. Для цементов типов I и II прочность на изгиб в возрасте двух суток должна составлять 2,7 мегапаскаля для низких температур и 3,5 мегапаскаля для умеренных и повышенных температур в возрасте одних суток. Полное ожидание затвердевания цемента перед дальнейшими операциями обычно составляет от 16 до 24 часов в зависимости от скважинных условий. Применение ускорителей может сократить время твердения.