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).