Тампонажные цементы и добавки

Кратко о главном

Клинкер портландцемента — это в основном четыре минерала: алит ( $\mathrm{C_3S}$ ) даёт раннюю прочность, белит ( $\mathrm{C_2S}$ ) — позднюю, алюминат ( $\mathrm{C_3A}$ ) реагирует очень быстро, его сдерживает гипс и от него зависит стойкость к сульфатам, алюмоферрит ( $\mathrm{C_4AF}$ ) реагирует умеренно.
После затворения раствор несколько часов почти не меняется (индукционный период) — в это время его закачивают и продавливают. Затем гидратация ускоряется: раствор густеет, схватывается и твердеет. Температура и давление этот период сокращают.
Основные цементы для скважин — классы G и H по API Spec 10A (в ГОСТ 1581 — типы I-G и I-H): без добавок, с водой 44 и 38 % от массы цемента. Свойства под конкретную скважину задают добавками.
Плотность и выход раствора считают по абсолютным объёмам: общая масса компонентов, делённая на сумму их объёмов. Чистый цемент класса G даёт около 1,90 г/см³ и 0,76 м³ раствора на тонну.
Ускорители и замедлители управляют временем загустевания, облегчающие и утяжеляющие добавки — плотностью, понизители водоотдачи и пластификаторы — фильтрацией и вязкостью, наполнители — поглощениями; против миграции газа применяют особые системы.
Выше примерно 110 °C цементный камень без кремнезёма теряет прочность и становится проницаемым; 35–40 % кремнезёма от массы цемента это предотвращают.

Ключевые соотношения

\rho_{\text{р}} = \dfrac{\sum m_i}{\sum m_i/\rho_i}

плотность тампонажного раствора по абсолютным объёмам компонентов

Y = \dfrac{\sum m_i/\rho_i}{m_{\text{ц}}}

выход раствора на единицу массы цемента: м³/т при массах в тоннах и плотностях в т/м³

V_{\text{API}} = 2\,V_t\sqrt{30/t}

показатель водоотдачи за 30 мин по объёму фильтрата $V_t$ , собранному за $t$ минут, в ячейке половинной площади

p = 0{,}00981\sum_j \rho_j h_j

давление столбов жидкостей, МПа ( $\rho_j$ в г/см³, $h_j$ — высоты по вертикали в м)

Где чаще всего ошибаются

Испытывать время загустевания не при той температуре: для закачки важна температура циркуляции на забое, которая ниже статической; прочность испытывают при статической.
Облегчать раствор просто лишней водой: без наполнителя вода отделяется, камень получается слабым и проницаемым.
Забывать, что добавка действует не на одно свойство: замедлители разжижают раствор, бентонит снижает прочность, хлорид натрия в малых концентрациях ускоряет, а в больших замедляет.
Обходиться без кремнезёма в горячих интервалах: прочность падает не сразу, а через недели и месяцы, когда исправить уже трудно.
Считать водоотдачу важной только для цементирования под давлением.

После урока вы сможете

объяснить, из каких минералов состоит клинкер портландцемента и как идёт гидратация — откуда время, когда раствор можно прокачивать, и откуда прочность камня;
различать классы цемента по API Spec 10A и типы по ГОСТ 1581 и читать их обозначения;
перечислить свойства тампонажного раствора и камня — плотность, водоцементное отношение и выход, время загустевания, водоотдачу, водоотделение, прочность — и объяснить, как их испытывают;
рассчитать по рецептуре плотность и выход раствора методом абсолютных объёмов и расход материалов на заданный объём;
подобрать семейства добавок под задачу: ускорители, замедлители, облегчающие и утяжеляющие добавки, понизители водоотдачи, пластификаторы, наполнители против поглощений, добавки против миграции газа;
объяснить, почему выше примерно 110 °C цементный камень теряет прочность и сколько кремнезёма нужно, чтобы этого не случилось.

Что требуется от цемента в скважине

Цементное кольцо (cement sheath) между колонной и стенкой скважины разобщает пласты: не даёт флюидам перетекать между ними и подниматься к устью по затрубью. Оно удерживает колонну и защищает её снаружи от агрессивных пластовых вод, а у направления и кондуктора ещё и держит вес устьевого и противовыбросового оборудования (колонны по назначению). Цемент нужен и для ремонта — заливки негерметичной колонны или ненужной перфорации, — и для мостов при испытании, зарезке бокового ствола и ликвидации скважины.

Требования к цементу противоречивы, и выполнять их приходится в два этапа:

пока раствор жидкий — оставаться прокачиваемым всё время закачки и продавки с запасом; иметь плотность, которая удерживает пласты, но не разрывает слабые; не отдавать воду в проницаемые породы и не отделять её; вытеснять буровой раствор, не смешиваясь с ним; не пропускать газ, пока загустевает;
когда затвердел — быстро набрать прочность, чтобы буровая не простаивала в ожидании затвердевания цемента (ОЗЦ, waiting on cement); иметь малую проницаемость; сохранять прочность и непроницаемость при пластовой температуре десятилетиями; выдерживать сероводород, углекислый газ и сульфаты пластовых вод, перепады давления и температуры при эксплуатации.

Рецептуру подбирает лаборатория по данным скважины: температуре, давлениям, плотности бурового раствора, времени закачки. Испытывают ту партию цемента, те добавки и ту воду затворения, которые привезут на буровую: свойства разных партий одного класса заметно различаются, а пресная, пластовая или морская вода по-разному влияет на схватывание.

Портландцемент: клинкер и гидратация

Портландцемент получают обжигом смеси известняка и глины при температуре около 1450 °C: частично расплавленная масса спекается в гранулы клинкера (clinker), которые затем размалывают с небольшим количеством гипса. Почти весь клинкер составляют четыре минерала. В химии цемента их записывают сокращённо: C — CaO, S — SiO₂, A — Al₂O₃, F — Fe₂O₃, H — H₂O.

Минералы клинкера

Минерал: Алит — трёхкальциевый силикат, $\mathrm{C_3S}$
Доля в цементах G и H: около половины
Как реагирует с водой: быстро; даёт основную прочность в первые сутки

Минерал: Белит — двухкальциевый силикат, $\mathrm{C_2S}$
Доля в цементах G и H: от четверти до трети
Как реагирует с водой: медленно; прочность растёт неделями

Минерал: Трёхкальциевый алюминат, $\mathrm{C_3A}$
Доля в цементах G и H: до 8 %, у высокосульфатостойких — до 3 %
Как реагирует с водой: очень быстро и с большим тепловыделением; его сдерживает гипс

Минерал: Алюмоферрит кальция, $\mathrm{C_4AF}$
Доля в цементах G и H: около десятой части
Как реагирует с водой: умеренно; мало влияет на прочность

Минерал	Доля в цементах G и H	Как реагирует с водой
Алит — трёхкальциевый силикат, $\mathrm{C_3S}$	около половины	быстро; даёт основную прочность в первые сутки
Белит — двухкальциевый силикат, $\mathrm{C_2S}$	от четверти до трети	медленно; прочность растёт неделями
Трёхкальциевый алюминат, $\mathrm{C_3A}$	до 8 %, у высокосульфатостойких — до 3 %	очень быстро и с большим тепловыделением; его сдерживает гипс
Алюмоферрит кальция, $\mathrm{C_4AF}$	около десятой части	умеренно; мало влияет на прочность

Ориентировочные доли; у разных заводов и партий они различаются. Ограничения по $\mathrm{C_3A}$ установлены для сортов умеренной и высокой сульфатостойкости.

Гидратация силикатов кальция (условная запись)

2\,\mathrm{C_3S} + 6\,\mathrm{H} \rightarrow \mathrm{C_3S_2H_3} + 3\,\mathrm{CH}, \qquad 2\,\mathrm{C_2S} + 4\,\mathrm{H} \rightarrow \mathrm{C_3S_2H_3} + \mathrm{CH}

где:

$\mathrm{C_3S_2H_3}$ гидросиликат кальция (C–S–H) — гель, который заполняет промежутки и склеивает зёрна; реальный состав переменный, отношение CaO/SiO₂ в нём около 1,7, —
$\mathrm{CH}$ гидроксид кальция Ca(OH)₂ — портландит, —
$\mathrm{H}$ вода, —

Единицы: мольные количества в обозначениях химии цемента

Справедливо, если

условная стехиометрия: C–S–H не имеет постоянного состава;
при температурах примерно до 110 °C; при более высоких образуются другие продукты (см. раздел о высоких температурах).

Силикаты превращаются в гель C–S–H, который даёт прочность и непроницаемость, и в кристаллы портландита. Портландит делает поровую воду сильно щелочной (pH около 13): это защищает сталь колонны от коррозии, но он же первым вступает в реакцию с углекислым газом и сульфатами.

Алюминат $\mathrm{C_3A}$ без гипса схватывается почти мгновенно. Гипс (сульфат кальция) связывает его в игольчатые кристаллы эттрингита на поверхности зёрен и тормозит реакцию. Сульфаты пластовой воды вызывают ту же реакцию уже в затвердевшем камне: растущие кристаллы распирают его и разрушают. Поэтому против сульфатных вод нужен цемент с малым содержанием $\mathrm{C_3A}$ .

СхемаСкорость тепловыделения твердеющего цементного раствора во времени (схема): короткий всплеск после затворения, индукционный период, когда раствор закачивают, ускорение гидратации с загустеванием и схватыванием, затем замедление и долгое твердение.

Если измерять тепловыделение твердеющего раствора, видно несколько периодов. Сразу после затворения — короткий всплеск: смачивание зёрен и первые реакции. Затем индукционный период: тепла почти нет, раствор остаётся жидким, и именно в это время его закачивают и продавливают. Потом гидратация силикатов резко ускоряется: раствор густеет, схватывается и начинает набирать прочность. Через сутки-двое скорость падает, но твердение продолжается неделями. Рост температуры и давления сокращает индукционный период, замедлители удлиняют его, ускорители укорачивают.

Воды для самих реакций нужно немного — около четверти массы цемента. Берут больше (для классов G и H — 44 и 38 %), чтобы раствор можно было перемешать и прокачать. Вода сверх необходимой остаётся в камне порами: чем её больше, тем слабее и проницаемее камень.

Классы и типы тампонажных цементов

Цемент для скважин отличается от строительного прежде всего постоянством: каждая партия должна давать предсказуемые время загустевания и прочность. Требования к нему устанавливает стандарт API Spec 10A (ISO 10426-1), который делит цементы на классы.

Классы цемента по API Spec 10A

Класс: A
Назначение: обычные условия без особых требований; исторически — до глубины около 1830 м (6000 футов)
Вода при испытаниях, % от массы цемента: 46

Класс: B
Назначение: то же при умеренной или высокой сульфатостойкости
Вода при испытаниях, % от массы цемента: 46

Класс: C
Назначение: высокая ранняя прочность: тонкий помол, больше $\mathrm{C_3S}$
Вода при испытаниях, % от массы цемента: 56

Класс: D
Назначение: умеренно высокие температура и давление, исторически — около 1830–3050 м; допускаются замедлители при изготовлении
Вода при испытаниях, % от массы цемента: 38

Класс: G и H
Назначение: основные цементы для скважин: без добавок, кроме гипса и воды; сами по себе — до глубины около 2440 м (8000 футов), с добавками — почти в любых условиях
Вода при испытаниях, % от массы цемента: 44 (G), 38 (H)

Класс	Назначение	Вода при испытаниях, % от массы цемента
A	обычные условия без особых требований; исторически — до глубины около 1830 м (6000 футов)	46
B	то же при умеренной или высокой сульфатостойкости	46
C	высокая ранняя прочность: тонкий помол, больше $\mathrm{C_3S}$	56
D	умеренно высокие температура и давление, исторически — около 1830–3050 м; допускаются замедлители при изготовлении	38
G и H	основные цементы для скважин: без добавок, кроме гипса и воды; сами по себе — до глубины около 2440 м (8000 футов), с добавками — почти в любых условиях	44 (G), 38 (H)

По API Spec 10A, 25-е издание (2019). Сульфатостойкость обозначают O (обычная), MSR (умеренная) и HSR (высокая). Классы E и F для глубоких горячих скважин были в прежних изданиях стандарта и в действующий не входят.

Классы G и H близки по химическому составу; H молотый грубее, поэтому ему нужно меньше воды, и раствор получается тяжелее: около 1,98 г/см³ против 1,90 у G. Класс G — самый распространённый цемент для скважин в мире: его свойства задают добавками почти для любых условий.

На постсоветском пространстве тампонажные портландцементы выпускают по межгосударственному стандарту ГОСТ 1581 (его редакцию 1996 года принимал, в том числе, Казахстан; в России с 2022 года действует редакция 2019 года). Стандарт различает:

тип I — бездобавочный портландцемент; I-G и I-H — бездобавочные цементы, которые испытывают при водоцементном отношении 0,44 и 0,38, аналоги классов G и H;
тип II — с минеральными добавками (6–20 %); тип III — со специальными добавками, в том числе облегчённые (Об, плотность раствора от 1,10 до 1,60 г/см³) и утяжелённые (Ут, от 2,00 до 2,30 г/см³);
температуру применения для типов I–III: (50) — от 15 до 50 °C, (100) — от 51 до 100 °C, (150) — от 101 до 150 °C;
сульфатостойкость: СС; у типов I-G и I-H — СС-1 (высокая) и СС-2 (умеренная).

Обозначение читается слева направо: ПЦТ-I-G-СС-1 — портландцемент тампонажный типа I-G высокой сульфатостойкости; ПЦТ-III-Об5-100 — облегчённый, с плотностью раствора около 1,50 г/см³, для умеренных температур. Какой стандарт и тип применяют на конкретной скважине, указывают в проекте на её строительство.

Для особых условий есть и другие вяжущие: глинозёмистый цемент на алюминатах кальция — в многолетней мерзлоте, где портландцемент твердеет слишком медленно, и в скважинах с очень высокой температурой; смеси портландцемента с пуццоланами и шлаками; полимерные составы для ремонтных работ.

Плотность, водоцементное отношение и выход

Количество воды задают водоцементным отношением (В/Ц, water–cement ratio) — массой воды на единицу массы цемента: 0,44 означает 44 кг воды на 100 кг цемента. Сухие добавки дозируют в процентах от массы цемента (BWOC, by weight of cement), соли — часто в процентах от массы воды (BWOW), жидкие добавки — в литрах на тонну цемента (в англоязычной практике — в галлонах на мешок).

Плотность и объём раствора считают методом абсолютных объёмов: каждый компонент занимает в растворе объём своего вещества — массу, делённую на истинную плотность, — а не насыпной объём порошка, в котором много воздуха. Объём раствора равен сумме этих объёмов, плотность — общей массе, делённой на этот объём.

Плотность тампонажного раствора по абсолютным объёмам

\rho_{\text{р}} = \frac{\sum_i m_i}{\sum_i m_i/\rho_i}

где:

$\rho_{\text{р}}$ плотность тампонажного раствора, г/см³
$m_i$ масса компонента: цемента, воды, каждой добавки, кг
$\rho_i$ истинная (абсолютная) плотность компонента: цемент около 3,15, вода 1,00, кварцевая мука около 2,65, г/см³ (= кг/л)

Единицы: кг и кг/л: объёмы получаются в литрах, плотность — в кг/л = г/см³

Справедливо, если

объёмы компонентов складываются: растворение и химическая усадка при затворении не учитываются;
добавки, растворимые в воде, считают по их собственной плотности — ошибка мала из-за малых количеств;
в растворе нет вовлечённого воздуха; при вспенивании плотность ниже расчётной, поэтому её контролируют на буровой весами под давлением.

Плотность снижают компоненты легче раствора (вода, наполнители, микросферы), повышают — тяжелее (цемент, утяжелители). Небольшие добавки в долях процента почти не меняют ни плотность, ни объём.

В других системах единиц (1)

Промысловые единицы (oilfield)

\rho\,[\text{ppg}] = \frac{\sum m_i\,[\text{lb}]}{\sum m_i/(8{,}345\,\rho_i)\;[\text{gal}]}

массы — в фунтах на мешок цемента (94 фунта, 42,64 кг), $\rho_i$ — относительная плотность, объём — в американских галлонах.

8,345 — фунтов в галлоне вещества с плотностью 1 г/см³; 1 г/см³ = 8,345 ppg.

Выход раствора и расход материалов

Y = \frac{\sum_i m_i/\rho_i}{m_{\text{ц}}}, \qquad M_{\text{ц}} = \frac{V}{Y}

где:

$Y$ выход раствора (slurry yield) — объём раствора на единицу массы цемента, м³/т
$m_{\text{ц}}$ масса цемента в рецептуре, т
$V$ требуемый объём раствора (из расчёта цементирования), м³
$M_{\text{ц}}$ масса цемента на операцию; воду и добавки находят умножением на их долю от массы цемента, т

Единицы: массы в тоннах, плотности в т/м³ (численно равны г/см³)

Справедливо, если

те же, что для плотности; запас на потери при затворении и неточность объёма скважины добавляют отдельно.

Выход показывает, сколько раствора даёт тонна цемента. Наполнители и вода увеличивают выход, утяжелители — уменьшают; поэтому облегчённые растворы и дешевле на кубометр.

В других системах единиц (1)

Промысловые единицы (oilfield)

Y\,[\text{ft}^3/\text{мешок}] = \frac{\sum m_i/(8{,}345\,\rho_i)\;[\text{gal}]}{7{,}48}

массы на мешок цемента 94 фунта; 7,48 галлона в кубическом футе.

Переход: 1 м³/т = 1,506 фут³ на мешок.

РасчётРасчётная плотность тампонажного раствора в зависимости от водоцементного отношения: чистый цемент (3,15 г/см³) и рецептура хвостовой порции из примера с 35 % кварцевой муки. Точки — стандартная вода для классов H и G и рецептура примера.

Почему нельзя просто добавить воды, чтобы облегчить раствор? Цемент удерживает лишь ограниченное количество воды: если её больше, частицы оседают, сверху отделяется вода, камень получается слабым и проницаемым. Поэтому облегчают раствор наполнителями, которые связывают воду или сами легки (раздел о добавках). В обратную сторону, уменьшая воду с пластификатором, раствор без утяжелителя можно сделать тяжелее — примерно до 2,16 г/см³ (18 ppg); дальше нужен утяжелитель.

Расчётный примерХвостовая порция для горячего интервала: плотность, выход, материалы

Исходные данные (условные)

Цемент класса G: 100 кг (3,15 г/см³)
Кварцевая мука: 35 % от массы цемента (2,65 г/см³)
Понизитель водоотдачи и замедлитель: 0,6 % (1,30 г/см³) и 0,3 % (1,50 г/см³) от массы цемента
Вода затворения: 53 кг на 100 кг цемента (В/Ц 0,53) — по лабораторному подбору
Нужный объём раствора: 15 м³ (из расчёта цементирования)

Решение

Абсолютные объёмы на 100 кг цемента: цемент $100/3{,}15 = 31{,}75$ л, кварцевая мука $35/2{,}65 = 13{,}21$ л, понизитель водоотдачи $0{,}6/1{,}30 = 0{,}46$ л, замедлитель $0{,}3/1{,}50 = 0{,}20$ л, вода 53 л; сумма 98,6 л.
Масса $100 + 35 + 0{,}6 + 0{,}3 + 53 = 188{,}9$ кг; плотность $188{,}9/98{,}6 = 1{,}916$ г/см³, или $1{,}916\cdot 8{,}345 = 16{,}0$ ppg.
Выход: 98,6 л на 100 кг цемента, то есть 0,986 м³/т (1,48 фут³ на мешок); вода затворения — 0,53 м³/т.
На 15 м³ раствора: цемента $15/0{,}986 = 15{,}21$ т, кварцевой муки $0{,}35\cdot 15{,}21 = 5{,}32$ т, воды $0{,}53\cdot15{,}21 = 8{,}06$ м³, понизителя водоотдачи 91 кг, замедлителя 46 кг.
Для сравнения, чистый цемент класса G при В/Ц 0,44: $\dfrac{144}{31{,}75 + 44} = 1{,}901$ г/см³, выход 0,76 м³/т.

Ответ: Раствор имеет плотность 1,916 г/см³ и выход 0,986 м³/т; на 15 м³ нужно 15,21 т цемента, 5,32 т кварцевой муки и 8,06 м³ воды.

Что это значит. Кварцевой муке нужна своя вода, поэтому В/Ц выше, чем у чистого цемента. Но кварц плотный (2,65 г/см³), и плотность раствора почти не изменилась, а объём раствора на тонну цемента вырос на 30 %: на ту же тонну цемента пришлось больше твёрдого вещества и воды. Добавки в долях процента почти не изменили плотность и выход — их объём меньше 1 % раствора, — но именно они задают время загустевания и водоотдачу. На буровую материалы везут с запасом на потери при затворении и неточность объёма ствола. Плотности материалов типичные, рецептура условная.

Испытания: время загустевания, водоотдача, водоотделение, прочность

Раствор испытывают так, чтобы повторить то, что он «увидит» в скважине: давление и температуру по ходу закачки (методы стандартизованы в API RP 10B-2, ISO 10426-2). Время загустевания определяют при температуре циркуляции на забое (bottomhole circulating temperature, BHCT): во время закачки ствол охлаждён циркуляцией, и в глубоких скважинах эта температура заметно ниже статической. Прочность определяют при статической температуре (bottomhole static temperature, BHST): камень твердеет, когда скважина снова прогревается.

Основные испытания тампонажного раствора

Свойство: Время загустевания (thickening time)
Как измеряют: консистометр под давлением и температурой; время до консистенции 100 Bc
Ориентир: время операции с запасом, заданным программой

Свойство: Водоотдача (fluid loss)
Как измеряют: фильтрация через сетку 45 мкм при перепаде 6,9 МПа, 30 мин
Ориентир: без понизителя — сотни мл и больше; при угрозе газопроявления — 50 мл и меньше

Свойство: Водоотделение (free fluid)
Как измеряют: раствор 2 ч стоит в мерном цилиндре, иногда наклонённом на 45°
Ориентир: для наклонных и газовых скважин — практически ноль

Свойство: Прочность на сжатие
Как измеряют: кубы с ребром 50,8 мм под пресс или ультразвуковой анализатор без разрушения
Ориентир: к разбуриванию — часто не менее 3,5 МПа (500 psi)

Свойство: Реология
Как измеряют: ротационный вискозиметр
Ориентир: для расчёта давлений и режима при закачке

Свойство	Как измеряют	Ориентир
Время загустевания (thickening time)	консистометр под давлением и температурой; время до консистенции 100 Bc	время операции с запасом, заданным программой
Водоотдача (fluid loss)	фильтрация через сетку 45 мкм при перепаде 6,9 МПа, 30 мин	без понизителя — сотни мл и больше; при угрозе газопроявления — 50 мл и меньше
Водоотделение (free fluid)	раствор 2 ч стоит в мерном цилиндре, иногда наклонённом на 45°	для наклонных и газовых скважин — практически ноль
Прочность на сжатие	кубы с ребром 50,8 мм под пресс или ультразвуковой анализатор без разрушения	к разбуриванию — часто не менее 3,5 МПа (500 psi)
Реология	ротационный вискозиметр	для расчёта давлений и режима при закачке

Bc (Bearden units of consistency) — условные единицы консистенции от 0 до 100; часто ориентируются и на 70 Bc как на предел прокачиваемости. В практике стран СНГ измеряют также растекаемость раствора по конусу и сроки схватывания.

Время загустевания (thickening time) — время, за которое раствор при условиях скважины становится непрокачиваемым. Оно должно быть больше времени операции — затворения, закачки, продавки — с запасом на остановки. Если раствор загустеет раньше, он останется в колонне — это одна из самых тяжёлых аварий при цементировании. Слишком длинное время тоже вредно: дольше ОЗЦ, дольше раствор остаётся жидким против газоносных пластов, успевают осесть твёрдые частицы. Лучше всего, когда раствор долго остаётся жидким, а потом густеет быстро — такую кривую называют «прямым углом» (right-angle set).

СхемаКонсистенция раствора в опыте на консистометре (схема): обычное постепенное загустевание и загустевание «прямым углом». Время загустевания — время до 100 Bc; оно должно перекрывать время операции с запасом.

Водоотдача — объём фильтрата, который раствор отдаёт через фильтр под перепадом давления. Против проницаемого пласта раствор теряет воду, густеет и может превратиться в плотную пробку: затрубье заполнится не полностью, колонну прихватит, а в узких зазорах хвостовиков раствор вообще не пройдёт. Опыт похож на испытание бурового раствора при высоких давлении и температуре (испытание фильтрации): площадь фильтра — половина стандартной, поэтому объём удваивают.

Показатель водоотдачи тампонажного раствора

V_{\text{API}} = 2\,V_t\,\sqrt{\frac{30}{t}}

где:

$V_{\text{API}}$ показатель водоотдачи — объём фильтрата за 30 мин, приведённый к стандартной площади, мл/30 мин
$V_t$ объём фильтрата, собранный в опыте к моменту $t$ , мл
$t$ время опыта: 30 мин или момент, когда проба обезводилась и через фильтр пошёл газ, мин
$2$ переход от площади ячейки (около 22,6 см²) к стандартной вдвое большей, —

Единицы: мл и минуты

Справедливо, если

фильтрат растёт пропорционально $\sqrt t$ , как при фильтрации через нарастающую корку (теория фильтрации);
при обезвоживании за минуты это лишь условный показатель для сравнения рецептур.

Чем меньше показатель, тем дольше раствор сохраняет воду против проницаемого пласта. Удвоение и корень из времени — пересчёт к стандартным площади и времени, а не физические свойства раствора.

Расчётный примерВодоотдача двух проб: без понизителя и с ним

Исходные данные (условные)

Проба 1 (без понизителя водоотдачи): обезводилась через 1,5 мин, собрано 74 мл
Проба 2 (с 0,6 % понизителя): за 30 мин собрано 23 мл
Предел программы: 50 мл/30 мин

Решение

Проба 1: $V_{\text{API}} = 2\cdot 74\cdot\sqrt{30/1{,}5} = 2\cdot 74\cdot 4{,}472 = 662$ мл/30 мин.
Проба 2: $V_{\text{API}} = 2\cdot 23 = 46$ мл/30 мин.

Ответ: Без понизителя показатель около 662 мл/30 мин, с понизителем — 46 мл/30 мин, в пределах программы.

Что это значит. Проба без понизителя обезводилась за полторы минуты — против проницаемого песчаника такой раствор быстро превратится в плотную массу. Понизитель снизил водоотдачу более чем в 14 раз. Для обычной колонны хватило бы и нескольких сотен миллилитров, но для хвостовика с узким зазором или при угрозе газопроявления нужна водоотдача порядка 50 мл/30 мин и меньше. Данные примера условные.

Водоотделение (free fluid) — вода, которая собирается над раствором в покое. В вертикальной скважине она поднимается к верху цементного столба, а в наклонной собирается вдоль верхней стенки и оставляет сквозной канал по всей длине интервала. Поэтому для наклонных и газовых скважин раствор делают устойчивым: без отделения воды и без оседания частиц.

Прочность нужна, чтобы держать колонну, выдержать удары долота при разбуривании оснастки и башмака и не разрушиться при перфорации и гидроразрыве. Её набор зависит от температуры: на забое горячей скважины раствор набирает 3,5 МПа за несколько часов, а у устья холодного кондуктора — гораздо дольше; это и определяет ОЗЦ. Ультразвуковой анализатор позволяет следить за набором прочности непрерывно, не разрушая образец.

Добавки: что регулирует каждое семейство

Почти любой тампонажный раствор содержит добавки. Сухие смешивают с цементом на складе, жидкие и соли обычно вводят в воду затворения. Их действие зависит от температуры, от партии цемента и от других добавок, поэтому рецептуру испытывают целиком.

Ускорители (accelerators): сокращают индукционный период и ускоряют набор прочности при низких температурах — в неглубоких колоннах, зимой, в многолетней мерзлоте. Самый распространённый — хлорид кальция (обычно 2–4 % от массы цемента); хлорид натрия ускоряет в малых концентрациях и замедляет в больших (выше примерно 18–20 % от массы воды); применяют также силикат натрия и морскую воду.
Замедлители (retarders): удлиняют индукционный период при высоких температурах: лигносульфонаты, оксикарбоновые кислоты и их соли, производные целлюлозы, синтетические полимеры, фосфонаты, при очень высоких температурах — с усилителями. Действие резко зависит от температуры: доза, рассчитанная на забой, надолго задерживает схватывание верха цементного столба, где холоднее. Сахар — очень сильный замедлитель, и случайное загрязнение им опасно.
Облегчающие добавки, наполнители (extenders): снижают плотность и увеличивают выход. Одни связывают лишнюю воду — бентонит, силикат натрия; другие сами лёгкие — пуццоланы (зола-унос, диатомит), полые стеклянные или алюмосиликатные микросферы; для пенных цементов вводят азот. С бентонитом или силикатом получают растворы примерно до 1,4–1,5 г/см³, с микросферами — примерно до 1,0–1,2 г/см³ (со стеклянными легче, чем с алюмосиликатными), пенные — ещё легче. Плата — меньшая и более медленная прочность, а у микросфер — разрушение части частиц под большим давлением.
Утяжелители (weighting agents): повышают плотность против пластов с высоким давлением: гематит (4,9–5,1 г/см³; обычно до 2,3 г/см³ раствора, с пластификатором и выше), ильменит (около 4,5), тетраоксид марганца (около 4,8: очень тонкий, оседает меньше). Барит (4,2–4,3) требует много воды и снижает прочность, поэтому в цементах его применяют редко.
Понизители водоотдачи (fluid-loss additives): полимеры: производные целлюлозы — гидроксиэтилцеллюлоза (ГЭЦ) и её карбоксиметильное производное (КМГЭЦ), синтетические сополимеры на основе АМПС (2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты), поливиниловый спирт, латекс. Бентонит снижает водоотдачу слабо.
Пластификаторы, диспергаторы (dispersants): полинафталинсульфонаты, лигносульфонаты, поликарбоксилаты: заряжают частицы одноимённо, и они отталкиваются. Вязкость и динамическое напряжение сдвига падают, раствор переходит в турбулентный режим при меньшем давлении и лучше вытесняет буровой раствор; можно уменьшить воду и утяжелить раствор без утяжелителя. Передозировка — оседание частиц и отделение воды.
Против поглощений (lost-circulation materials): зернистые (гильсонит, скорлупа орехов, дроблёный уголь), чешуйчатые (целлофан, слюда), волокнистые (синтетические волокна) наполнители закупоривают трещины и каналы; тиксотропные растворы в покое быстро загустевают и не уходят в пласт.
Против миграции газа (gas-migration control): латекс, микрокремнезём и другие тонкие частицы, снижающие проницаемость загустевающего раствора; расширяющиеся добавки; рецептуры с коротким переходом из жидкости в камень; очень низкая водоотдача и нулевое водоотделение (раздел о миграции газа).
Прочие: пеногасители — против вспенивания при затворении; кремнезём — против снижения прочности при высоких температурах (следующий раздел); армирующие волокна и эластичные добавки — для камня, который испытывает циклы давления и температуры; соль — при цементировании в соленосных отложениях.

Расчётный примерОблегчённая головная порция и слабый пласт

Исходные данные (условные)

Головная порция: цемент G + вода 75 кг на 100 кг цемента + полые микросферы (0,60 г/см³); нужная плотность 1,45 г/см³
Скважина: башмак 2400 м; хвостовая порция примера выше (1,916 г/см³) — от 2100 до 2400 м, головная — от 1200 до 2100 м, выше — буровой раствор 1,22 г/см³
Слабый пласт: 2150 м, давление гидроразрыва в эквиваленте 1,50 г/см³

Решение

Масса микросфер $m$ на 100 кг цемента из условия $\dfrac{100 + 75 + m}{31{,}75 + 75 + m/0{,}60} = 1{,}45$ : $m = \dfrac{175 - 1{,}45\cdot 106{,}75}{1{,}45/0{,}60 - 1} = 14{,}27$ кг, то есть 14,27 % от массы цемента.
Объём $106{,}75 + 14{,}27/0{,}60 = 130{,}5$ л на 100 кг цемента: выход 1,305 м³/т — в 1,32 раза больше, чем у хвостовой порции (0,986 м³/т).
Если всё затрубье заполнить хвостовым раствором, давление на слабый пласт после размещения $0{,}00981\,(1{,}22\cdot1200 + 1{,}916\cdot950) = 32{,}2$ МПа, эквивалентная плотность 1,53 г/см³ — больше давления гидроразрыва.
С облегчённой головной порцией: $0{,}00981\,(1{,}22\cdot1200 + 1{,}45\cdot900 + 1{,}916\cdot50) = 28{,}1$ МПа, эквивалентная плотность 1,33 г/см³; запас до гидроразрыва 0,17 г/см³.

Ответ: Головная порция с 14,27 % микросфер имеет плотность 1,45 г/см³ и выход 1,305 м³/т; с ней давление на слабый пласт после размещения соответствует 1,33 г/см³ вместо 1,53 г/см³.

Что это значит. Это статическая проверка после окончания продавки; во время закачки к ней добавляются потери давления на трение в затрубье (Потери давления при циркуляции), и запас 0,17 г/см³ нужен именно для них — проверку по ходу операции делают в расчёте цементирования (Первичное цементирование). Тяжёлую прочную порцию оставляют у башмака, где камень несёт нагрузку при бурении следующего интервала, а лёгкая головная заполняет верх затрубья. Под давлением часть микросфер может разрушиться, и плотность раствора в скважине станет выше расчётной, поэтому их прочность подбирают с запасом. Данные примера условные; как определяют давление гидроразрыва — в уроке Градиент гидроразрыва и испытание на поглощение.

Высокая температура: снижение прочности и кремнезём

При температурах примерно до 110 °C гель C–S–H устойчив. Выше него, без добавок, он со временем перекристаллизовывается в плотные кристаллы α-гидросиликата ( $\alpha\text{-}\mathrm{C_2SH}$ , отношение CaO/SiO₂ равно 2). Кристаллы занимают меньший объём, чем гель, связи между ними слабее, и камень за недели и месяцы теряет значительную часть прочности, а его проницаемость растёт на порядки. Это снижение прочности (strength retrogression) — тихая угроза: при испытании на 1–3 сутки рецептура выглядит хорошо, а через полгода цементное кольцо уже не изолирует пласты.

Средство известно давно: добавить в цемент 35–40 % кремнезёма от массы цемента — кварцевой муки (тонкого помола) или кварцевого песка. Лишний кремнезём реагирует с кальцием и снижает отношение CaO/SiO₂ примерно до единицы. Тогда при нагреве образуются другие кристаллические гидросиликаты — тоберморит, а при более высоких температурах ксонотлит, — которые сохраняют прочность и малую проницаемость.

Что образуется в цементном камне при нагреве

Температура: до ~110 °C
Без кремнезёма: гель C–S–H и портландит: камень прочный
С 35–40 % кремнезёма: то же; кремнезём почти не реагирует

Температура: ~110–150 °C
Без кремнезёма: α-C₂SH: прочность падает, проницаемость растёт
С 35–40 % кремнезёма: тоберморит (CaO/SiO₂ ≈ 0,83): прочность сохраняется

Температура: выше ~150 °C
Без кремнезёма: α-C₂SH и другие фазы: прочность и непроницаемость теряются ещё быстрее
С 35–40 % кремнезёма: ксонотлит (CaO/SiO₂ = 1) и родственные фазы: камень устойчив

Температура	Без кремнезёма	С 35–40 % кремнезёма
до ~110 °C	гель C–S–H и портландит: камень прочный	то же; кремнезём почти не реагирует
~110–150 °C	α-C₂SH: прочность падает, проницаемость растёт	тоберморит (CaO/SiO₂ ≈ 0,83): прочность сохраняется
выше ~150 °C	α-C₂SH и другие фазы: прочность и непроницаемость теряются ещё быстрее	ксонотлит (CaO/SiO₂ = 1) и родственные фазы: камень устойчив

Границы температур ориентировочные: превращения идут со временем, а их скорость зависит от давления, состава цемента и крупности кремнезёма. Расчёт, откуда берутся 35–40 %, — в разделе для углублённого изучения.

Кремнезём добавляют, когда статическая температура в интервале цементирования превышает примерно 110 °C или превысит её позже — при закачке пара, в геотермальных скважинах. Мелкая мука реагирует быстрее, крупный песок — медленнее и меньше влияет на свойства раствора; для очень высоких температур крупность кремнезёма и сочетание муки с песком подбирают по испытаниям. Одновременно такие рецептуры требуют сильных замедлителей, которые сохраняют действие при этих температурах, и испытаний при пластовых условиях на длительный срок.

Загрязнение и миграция газа

Загрязнение буровым раствором. Буровой и тампонажный растворы часто несовместимы: их смесь резко густеет, а реагенты бурового раствора — например, разжижители — могут замедлить схватывание. Загрязнённый цемент твердеет плохо и не сцепляется с колонной и породой. Поэтому цемент отделяют от бурового раствора буферной жидкостью и разделительными пробками, а смеси проверяют на совместимость в лаборатории (Первичное цементирование).

Миграция газа. Пока раствор жидкий, он передаёт на пласты полное гидростатическое давление. Когда он начинает загустевать, в нём растёт статическое напряжение сдвига: структура раствора опирается на стенки и колонну и перестаёт передавать вес столба вниз. Одновременно раствор теряет объём — уходит фильтрат, идёт химическая усадка. Давление против газоносного пласта падает, и если оно станет ниже пластового, газ входит в ещё не затвердевший раствор и прокладывает в нём каналы. Потом по ним газ поднимается к устью: так появляются давления в межколонных пространствах и грифоны.

Опасен промежуток, когда раствор уже не передаёт давление, но ещё не стал непроницаемым. Его оценивают временем перехода (transition time) — от статического напряжения сдвига около 48 Па (100 lbf/100 ft²), когда передача давления заметно нарушается, до около 239 Па (500 lbf/100 ft²), когда газ уже не может пройти. Чем короче этот промежуток, тем меньше риск. Поэтому против газоносных пластов применяют рецептуры с коротким временем перехода, очень низкой водоотдачей и без водоотделения, а также латексные, расширяющиеся и другие непроницаемые системы.

Цементирование и безопасность

Урок объясняет физику и химию цемента и не заменяет программу цементирования и утверждённые инструкции. Ошибка в рецептуре — раствор, загустевший в колонне, разрыв пласта тяжёлым раствором, газ, прорвавшийся через незатвердевший цемент, — относится к осложнениям, требующим действий по контролю скважины (Контроль скважины: первичный барьер и признаки проявления).
Цемент и многие добавки опасны при обращении: раствор сильно щелочной и вызывает химические ожоги кожи и глаз, пыль кварцевой муки опасна для лёгких. Работают в средствах индивидуальной защиты по паспортам безопасности материалов.

Термины и обозначения

Тампонажный раствор и цементный камень: смесь цемента, воды и добавок, которую закачивают в скважину (cement slurry), и то, во что она затвердевает (set cement).
Жидкость затворения: вода — пресная, морская или с растворёнными добавками, — на которой готовят тампонажный раствор (mix water).
Водоцементное отношение (В/Ц): масса воды на единицу массы цемента; у классов G и H при испытаниях — 0,44 и 0,38.
Выход раствора: объём раствора на тонну цемента (в англоязычной практике — на мешок 94 фунта).
Время загустевания: время, за которое раствор при условиях скважины становится непрокачиваемым (до 100 Bc в консистометре).
Водоотдача (fluid loss): объём фильтрата, который раствор отдаёт под перепадом давления; у цемента — при 6,9 МПа за 30 мин.
Водоотделение (free fluid): вода, отделяющаяся над раствором в покое.
ОЗЦ: ожидание затвердевания цемента — время, пока камень набирает прочность, нужную для продолжения работ.
BHCT и BHST: температуры циркуляции и статическая на забое: по первой испытывают время загустевания, по второй — прочность.
Снижение прочности: потеря прочности и рост проницаемости цементного камня выше примерно 110 °C без кремнезёма.
Время перехода: промежуток, когда загустевающий раствор уже не передаёт полное давление, но ещё не препятствует проходу газа.

Частые ошибки и заблуждения

Неверно

«Время загустевания — это время, за которое цемент затвердеет».

На самом деле

Это время, пока раствор можно прокачивать. Прочность, достаточную для продолжения работ, камень набирает позже — от нескольких часов до суток и больше, в зависимости от температуры.

Неверно

«Больше воды — легче прокачивать, значит, лучше».

На самом деле

Лишняя вода отделяется, частицы оседают, камень получается слабым и проницаемым. Облегчают раствор наполнителями, а прокачиваемость улучшают пластификаторами.

Неверно

«Водоотдача важна только при цементировании под давлением».

На самом деле

И при первичном цементировании раствор, отдающий воду против проницаемых пластов, густеет, закупоривает узкие зазоры и облегчает миграцию газа. Для хвостовиков и газовых скважин водоотдачу снижают особенно сильно.

Неверно

«Для горячей скважины достаточно замедлителя».

На самом деле

Замедлитель обеспечивает время закачки, но не спасает камень от снижения прочности выше примерно 110 °C. Нужно ещё 35–40 % кремнезёма от массы цемента.

Неверно

«Цементный раствор утяжеляют баритом, как буровой».

На самом деле

Барит требует много воды и снижает прочность камня. Для цемента применяют гематит, ильменит или тетраоксид марганца, а до примерно 2,16 г/см³ обходятся уменьшением воды с пластификатором.

Подробно: для продвинутых

Почему именно 35–40 % кремнезёма

Опасная фаза $\alpha\text{-}\mathrm{C_2SH}$ образуется, когда кальция в силикатах много — отношение CaO/SiO₂ близко к 2. Устойчивые тоберморит ( $\mathrm{C_5S_6H_5}$ , отношение 0,83) и ксонотлит ( $\mathrm{C_6S_6H}$ , отношение 1,0) требуют, чтобы на каждый моль CaO приходилось примерно по молю SiO₂. Посчитаем, сколько кремнезёма нужно добавить, по составу силикатов клинкера.

Расчётный примерОтношение CaO/SiO₂ силикатов цемента с кварцем

Исходные данные (условные)

Цемент: 55 % $\mathrm{C_3S}$ и 25 % $\mathrm{C_2S}$ по массе (типичные доли, условно)
Молярные массы: CaO 56,08, SiO₂ 60,08, $\mathrm{C_3S}$ 228,32, $\mathrm{C_2S}$ 172,24 г/моль
Кварц: 35 или 40 г на 100 г цемента

Решение

В 55 г $\mathrm{C_3S}$ : CaO $55\cdot168{,}23/228{,}32 = 40{,}52$ г, SiO₂ $55\cdot60{,}08/228{,}32 = 14{,}47$ г. В 25 г $\mathrm{C_2S}$ : CaO $25\cdot112{,}15/172{,}24 = 16{,}28$ г, SiO₂ 8,72 г.
Всего 56,80 г CaO (1,0128 моль) и 23,19 г SiO₂ (0,3860 моль): отношение 2,62.
С 35 г кварца: $1{,}0128/((23{,}19 + 35)/60{,}08) = 1{,}05$ ; с 40 г — 0,96.

Ответ: Кремнезём снижает отношение CaO/SiO₂ в силикатах с 2,62 до 1,05 при 35 % и до 0,96 при 40 % — примерно до единицы, как у тоберморита и ксонотлита.

Что это значит. Отсюда и правило 35–40 %: меньше кварца — остаётся избыток кальция и часть α-C₂SH, намного больше — лишний кварц лишь разбавляет камень. Расчёт предполагает, что весь кварц прореагировал, а кальций алюминатов и ферритов в этих реакциях не участвует; при долях силикатов 50 и 30 % вместо 55 и 25 % результат почти тот же. Тонкая мука реагирует полнее, крупный песок — медленнее, поэтому для очень высоких температур иногда добавляют больше. Состав цемента условный.

Связь с другими темами

Обсадные колонны: назначение, типы, свойства и стандарты — колонны, которые цементируют, башмак, обратный клапан и центраторы.
Первичное цементирование — размещение раствора за колонной, объёмы, продавка, буферные жидкости.
Ремонтное цементирование, цементные мосты и оценка качества — цементирование под давлением, мосты и оценка качества цементирования.
Градиент гидроразрыва и испытание на поглощение — давление гидроразрыва — верхний предел плотности тампонажного раствора.
Поровое и горное давление — гидростатическое давление и эквивалентная плотность.
Буровые растворы: функции и свойства — плотность, утяжеление и фильтрация бурового раствора — сравните с цементом.
Промысловые испытания бурового раствора — фильтр-пресс и теория фильтрации через корку.
Реология буровых растворов и режимы течения — реологические модели, которыми описывают и тампонажный раствор.
Контроль скважины: первичный барьер и признаки проявления — миграция газа и осложнения при цементировании как угроза контролю скважины.

Проверьте себя

1
Какой минерал клинкера даёт основную прочность цементного камня в первые сутки?
1. А.Алит, $\mathrm{C_3S}$
2. Б.Белит, $\mathrm{C_2S}$
3. В.Трёхкальциевый алюминат, $\mathrm{C_3A}$
4. Г.Алюмоферрит, $\mathrm{C_4AF}$
Показать ответ
Правильный ответ: А. Алит, $\mathrm{C_3S}$
Алит реагирует с водой быстро и даёт гель C–S–H, который набирает прочность в первые сутки. Белит реагирует медленно и добавляет прочность неделями; алюминат реагирует очень быстро, но вклад в прочность у него мал, и его сдерживает гипс.
2
Найдите плотность и выход чистого раствора цемента класса H при стандартном водоцементном отношении 0,38 (плотность цемента 3,15 г/см³) и сравните с классом G.
Показать ответ
Объём на 100 кг цемента: $100/3{,}15 + 38 = 31{,}75 + 38 = 69{,}75$ л, масса 138 кг. Плотность $138/69{,}75 \approx 1{,}98$ г/см³ (около 16,5 ppg), выход 0,70 м³/т. У класса G при 0,44 — 1,90 г/см³ и 0,76 м³/т: класс H тяжелее и даёт меньше раствора на тонну, потому что ему нужно меньше воды.
3
При какой температуре испытывают время загустевания раствора для цементирования колонны?
1. А.При температуре на устье
2. Б.При статической температуре пласта на забое
3. В.При температуре циркуляции на забое
4. Г.При комнатной температуре
Показать ответ
Правильный ответ: В. При температуре циркуляции на забое
Пока раствор закачивают, ствол охлаждён циркуляцией, и раствор находится при температуре циркуляции, которая ниже статической. Испытание при статической температуре дало бы заниженное время и избыток замедлителя, при комнатной — опасно завышенное. Прочность, наоборот, испытывают при статической температуре.
4
За 30 мин опыта на водоотдачу собрано 31 мл фильтрата. Каков показатель и укладывается ли раствор в предел программы 50 мл/30 мин?
Показать ответ
Ячейка вдвое меньше стандартной по площади, поэтому показатель $2\cdot 31 = 62$ мл/30 мин. Это больше 50 — нужно больше понизителя водоотдачи или другой понизитель, после чего опыт повторяют.
5
Зачем в рецептуру для интервала со статической температурой 140 °C добавляют 35–40 % кварцевой муки от массы цемента?
1. А.Чтобы при нагреве вместо α-C₂SH образовывались тоберморит и ксонотлит и камень не терял прочность
2. Б.Чтобы увеличить время загустевания
3. В.Чтобы снизить плотность раствора
4. Г.Чтобы уменьшить водоотдачу
Показать ответ
Правильный ответ: А. Чтобы при нагреве вместо α-C₂SH образовывались тоберморит и ксонотлит и камень не терял прочность
Выше примерно 110 °C гель C–S–H без кремнезёма переходит в α-C₂SH, и камень теряет прочность и непроницаемость. Кремнезём снижает отношение CaO/SiO₂ примерно до единицы, и образуются устойчивые тоберморит и ксонотлит. Время загустевания задают замедлителем, водоотдачу — понизителем.
6
Цементный раствор плотностью 1,90 г/см³ поднимают на 1500 м над башмаком на глубине 2500 м, выше — буровой раствор 1,20 г/см³. Выдержит ли пласт у башмака с давлением гидроразрыва в эквиваленте 1,55 г/см³ статическое давление после размещения?
Показать ответ
Эквивалентная плотность у башмака $(1{,}90\cdot1500 + 1{,}20\cdot1000)/2500 = 4050/2500 = 1{,}62$ г/см³ — больше 1,55: пласт разорвётся, раствор уйдёт, и цемент не поднимется на нужную высоту. Верхнюю часть столба делают облегчённой, уменьшают высоту подъёма или цементируют в две ступени; при закачке к статическому давлению ещё добавится трение.

Обновлено: 15 октября 2026 г.