Тампонажный бетон что это

Применение тампонажного цемента, его классификация и маркировка

Одним из уникальных подвидов портландцемента является тампонажный цемент. Он используется в тампонажных работах, цель которых — исключить влияние агрессивных газов и сред на трубы при бурении скважин, снизить давление на них и гарантировать их безопасную эксплуатацию.

Особенности и состав

К специфическим особенностям тампонажного цемента можно отнести такие его свойства, как:

Тампонажный цемент прочен и целостен длительное время, независимо от влияния вредных окружающих сред.

Основной состав строительного материала представлен измельченным клинкером и гипсом. Также для воздействия на те или иные свойства применяют минеральные добавочные вещества. Для цементирования буровых скважин при нефте- и газодобыче производятся разные виды растворов, а именно:

Кроме обычного тампонажного портландцемента производят сульфатостойкую смесь, которая не поддается воздействию агрессивной среды, долговечный низкогигроскопичный цемент, а также волокнистую смесь для прочного цементирования путей утечки раствора.

Технические характеристики

Тампонажный цемент характеризуется следующими техническими параметрами:

Помимо этого, нормируется также тонкость измельчения клинкера и лимит прочности на изломе макета из затвердевшей смеси.

Классификация и маркировка

Строительный материал можно классифицировать в зависимости от следующих критериев:

Маркировка материала включает:

Пример маркировки и ее расшифровка

Марка ПЦТ II-СС-50 ГОСТ 1581-96 означает, что эта смесь называется тампонажным портландцементом, в состав которого входят минеральные добавки. Это вещество с сульфатоустойчивыми параметрами, используется при температурах в диапазоне от низкой до нормальной.

Область и технология применения

Отличительной особенностью тампонажного цемента является высокая степень крепости с самого начала затвердения. Это качество и обусловило главную сферу применения данного материала — цементирование (либо тампонирование) нефтегазовых скважин при одновременном вытеснении буровой смеси. В жилищном строительстве этот вид цемента не применяется. Исключение составляет установка буровых свай в сложных условиях.

Тампонажный цемент закачивается насосами, поэтому раствор используют в достаточно жидком виде: к сухой цементной смеси добавляется вода в пропорции 2:1. После затворения большими объемами жидкости цемент преобразуется в подвижную массу, именуемою пульпой, ее и закачивают в скважину. По окончании этапа транспортировки масса затвердевает и становится безусадочным плотным монолитом, который хорошо скреплен со стенками ствола скважины и обсадной трубой.

Полученный слой надежно защищает от грунтовых вод, либо сдвижек пластов разной плотности. Учитывая свойства грунта, заполнение бывает либо полным, либо частичным. Кроме обеспечения защиты, тампонажный цемент может сократить глубину и укрепить дно скважины, а также ликвидировать повреждения на обсадных колоннах.

Подбор каждой конкретной марки ПЦТ осуществляется с учетом условий использования и глубины скважины. Бурение на болоте или в песчаном грунте, либо закладка скважин глубже 2000 м предполагает применение облегченных видов (в данной ситуации — рекомендована марка ПЦТ-III-об-5-100).

Важное значение при работе с ПЦТ имеет температура в шахте. При высокой температуре, пульпа затвердевает в период от 90 минут до 10 часов. Более горячая температура способствует быстрейшему схватыванию раствора. При использовании в холодной скважине (либо если материал применяется для гидроизоляции при возведении сооружений зимой) затвердение начинается по истечении 120-180 минут и может завершиться через двадцать часов. Более длительный период застывания у солестойкого цемента.

Источник

Цемент тампонажный

разновидность портландцемента с повышенными требованиями к минералогическому составу клинкера

Используется при разведочном и эксплуатационном бурении неф­тяных и газовых скважин, и при капитальном ремонте скважин (КРС) для цементи­рования нефтяных скважин, целью которого является изолиро­вание продуктивных нефтеносных слоев от водоносных, а также отделение нефтеносных слоев друг от друга при многопластовых залежах нефти.

Замес и заливку раствора производя механическим способом, подача в скважину осуществляется насосной установкой.

Операция цементирования скважины:

— опускание в скважину ко­лонны обсадных стальных труб разного диаметра;

— заполнение образовавшегося кольцевого пространство между стенками скважины и наружным диаметром труб быстротвердеющим цементным раствором.

Методы цементирования скважин:

— цементирование через заливочные трубы при ремонтных работах,

— мно­гоступенчатая заливка и тд.

Многообразие методов связано с особенностями место­рождений, характером расположения про­дуктивных и водоносных слоев, структуры коллекторов и др.

— колонну стальных труб опускают на рассчи­танную глубину и подвешивают;

— через колонну подается глинистый раствор для промывки сква­жин перед цементированием;

— спуск колонны после промывки на нижнюю пробку с цент­ральным отверстием, закрытие стеклянной пластиной. Пробка плотно прилегает к стенкам труб;

— на опу­щенную пробку в колонну быстро накачивается с по­мощью цементировочных агрегатов цементный раствор в заранее рассчитанном объеме, после чего туда опуска­ют верхнюю глухую пробку;

— на верхнюю проб­ку накачивается под большим давлением глинистый раствор, в результате чего цементный раствор, заклю­ченный между нижней и верхней пробкой, движется вниз;

— когда нижняя пробка достигает заранее установ­ленного на обсадных трубах упорного кольца, повышается давление, и стекло нижней пробки раз­давливается;

— цементный раствор через образовавшее­ся отверстие проходит в забой и в затрубное кольцевое пространство, выдавливая находивший­ся в скважине после бурения глинистый раствор;

— когда верхняя пробка садится на нижнюю, что заметно по резкому повышению давления па манометре (устье скважины), движение глинистого раствора приостанав­ливается.

— после проверки высоты подъема цементного раст­вора в затрубном пространстве скважину оставляют в покое примерно на 18 час ( реже 48 час) до полного затверде­вания цемента. Зазор между стенкой скважины и на­ружным диаметром обсадных труб, заполненный це­ментным раствором, составляет примерно 15-50 мм;

— по истечении установленного срока твердения це­ментного раствора обсадную колонну испытывают на герметичность путем «опрессовки», при этом допускает­ся снижение давления на 0,5 МПа за 30 мин;

— после окончания этих операций и приобретения цементом не­обходимой прочности вскрывают продуктивный нефте­носный слой путем дальнейшего пробуривания цемент­ного камня на забое, либо пробивают отверстия, по ко­торым в скважину поступает нефть. Это осуществляет­ся с помощью пороховых либо торпедных перфораторов через стенки труб и прилегающий к ним цементный ка­мень. В результате перфорации в цементном камне об­разуются отверстия, по которым в колонну поступает нефть после понижения уровня жидкости в скважине при давлении ниже пластового давления нефти.

Особенности процесса цементирования:

— глинистый раствор отрицательно влияет на твердение цемента при их смешивании, ког­да цементный раствор проходит в затрубное простран­ство.

— перфорация цементного камня в скважине также влияет на его прочность, снижая ее в зависимости от многих факторов, в тч от вида перфорации пулевой или торпедной.

— скорость подъема цементного раствора в затрубном пространстве при це­ментировании должна составлять не менее 1,5 м/сек, что способствует лучшей очистке сте­нок скважины от глинистой корки и образованию более стойкого цементного кольца.

— нужно точно контролировать объемы цементного раствора и продавочной жидкости, закачиваемых в колонну, и изменение давления раствора. Экзотермия цемента способствует повышению этого давле­ния.

Условия службы тампонажного цемента в скважинах:

— осмотр и точное обследование состояния скважины невозможны, что затрудняет изуче­ние цемента в условиях службы;

— по мере углубления нефтяной скважины в ней повышаются температура и давление, что влияет на процесс цементи­рования и качество получаемого цементного камня. Повышение температуры с глубиной бурения неодинаково в разных нефтяных месторожде­ниях. При измерении тем­пературы в ряде скважин, значение геотер­мического градиента составило 16,5-18,3 м/град. Диапазон колебаний объясняется различной силой притока верхних и нижних вод, причем температура нефтяных пластов всегда ниже темпе­ратуры водоносных. В США на некоторых скважинах при глубине примерно 7 тыс м температура на забое до­ходила до 473 К при давлении 12,5 МПа.

Пластовые воды на многих месторождениях имеют высокую концентрацию солей.

Хлоркальциевые, хлормагниевые, сульфатно-натриевые, сульфатно-сульфидные воды оказывают коррозионное воздействие на цементный камень, осо­бенно при повышенных температурах и давлении, когда возможна существенная водопроницаемость це­ментного кольца.

Еще более влияет на условия службы в газовых скважинах происходящая после окончания цементиро­вания диффузия газа из пласта в скважину, часто вызывающая выбросы и фонтаны.

1 е опыты крепления обсадных труб для изоля­ции нефтяного пласта от водоносного путем цементиро­вания портландцементным раствором были выполнены в 1907-1908 гг и дали положительные результаты в сравнительно неглубоких скважинах.

Портландцемент того времени характеризовался сравнительно медленным схватыванием, низкой прочностью и грубым помолом, поэтому приходилось долго «выжидать», пока цемент­ный камень приобретет необходимую прочность.

Для ускорения процесса тверде­ния цемента использовался более тонкий помол цемента.

Важнейшие требованияе к качеству тампонажного цемента:

-цементный раствор (шлам) должен обладать достаточной текучестью, обеспечивающей возможность быстрого его закачивания в колонну труб, а затем продавливания в затрубное пространство:

— тампонажный цемент должен характеризоваться необходимой прочностью в первые 2 суток тверде­ния. Прочность затвердевшего цементного раствора в краткие сроки твердения должна обеспечить закрепле­ние колонны в стволе скважины, необходимую ее устой­чивость при разбуривании и перфорации, эффективную изоляцию от проницаемых пород. Прочность должна составлять не ме­нее 2,3 МПа и приближаться к 3,5 МПа при коэффи­циенте запаса прочности в 2-5.

— цементный камень должен быть стоек по отношению к агрессивным пластовым водам на глубоких горизон­тах и водонепроницаемым, чтобы защитить продуктив­ные нефтяные пласты от пластовых вод и обсадную ко­лонну от проникновения корродирующих жидкостей, со­держащих большое количество различных солей, а за­частую и сероводород. В начальный период твердения цементный камень должен быть достаточно пластич­ным, чтобы при перфорации скважин в нем не образо­вались трещины, и вместе с тем достаточно долговеч­ным в условиях, когда ему приходится противостоять воздействию не только агрессивных пластовых вод, но и высокой температуры и давления. Необходимо учиты­вать и водоотдачу, которая вполне возможна при нали­чии проницаемых пластов, отсасывающих часть воды из цементного раствора. Это заметно снижает водоцементиое отношение, что влияет на вязкость и сроки схватывания цемента. Кроме того, серьезное значение имеет газопроницаемость цементного камня, особенно в газовых скважинах.

Цемент 1 й разновидности не может удовлетво­рять всем требованиям, связанным с различными усло­виями его работы в скважинах, поэтому цементная промышленность выпускает 2 основных ис­ходных вида тампонажного цемента:

— цемент, пред­назначенный для цементирования «холодных» скважин до 40 о С(295К);

— цемент, пред­назначенный для цементирования «горячих» скважин свыше 40 о С(348 К).

Требования к цементам для «холодных» и «горячих» скважин высоки. Стандарт регламентирует же­сткие пределы для сроков схватывания: начало не ра­нее 2 ч для применения цементов в «холодных» скважи­нах и не ранее 1 ч 45 мин для «горячих» скважин.

Это время необходимо для того, чтобы успеть закачать це­ментный раствор в скважину и продавить его на нуж­ную высоту в затрубное пространство.

К тампонажным цементам предъявляются такие же требования в отношении допустимого содержания SO₃ и MgO, а также по тонкости помола и равномерности изменения объема, что и к портландцементу.

Тампонажный цемент для «холодных» скважин изготавливают главным образом путем тонкого помола (до удельной поверхности 3000-3500 cм 2 / 1 г клинкера).

Качественный тампонажный цемент должен быть так тонко помелен, чтобы во время просеивания его через сито № 008 не меньше 25% веса пробы проходило.

В скважинах многих нефтяных районов пластовые воды оказывают на цемент сильное корродирующее действие, цементный раствор поглощается трещинова­тыми или дренированными пластами. Для цементирова­ния скважины в таких условиях необходимы цементные растворы с плотностью, превышающей плотность про­мывочного глинистого раствора.

В других случаях тре­буются, наоборот, цементные растворы с пониженной плотностью для того, чтобы поднять цементный раствор па большую высоту. Специфические условия создаются в газовых скважинах, в которых наблюдается прорыв газа через цементное кольцо и резьбовое соединение об­садной трубы п др.

Для службы в таких специфических условиях разработаны специальные виды тампонажных цементов, эффективность которых подтверждена на практике (ГОСТ 1581-96), но производство ограничено.

Источник

Тампонажный цемент – свойства и сферы применения

На заключительном этапе работ по обустройству скважин пространство вокруг обсадной колонны заполняют специальным цементным раствором. При затвердевании он образует монолитную рубашку для защиты трубы от агрессивных сред и газов. Для приготовления состава используется тампонажный цемент ПТЦ – особый подвид портландцемента.

Особенности тампонажного цемента

Раствор для тампонажных работ приготавливают из цемента со специфическими свойствами. Материал:

Монолитная конструкция, выполненная из тампонажного раствора, на протяжении многих лет сохраняет целостность и не теряет прочности благодаря устойчивости к влиянию окружающих сред, в том числе агрессивных.

Cостав

Основой для производства тампонажного цемента служит измельченный клинкер (от 80%) и гипс (2-3,5%). К ним добавляются различные минеральные вещества для приготовления рабочих смесей с заданными свойствами. Применяется несколько видов тампонажных растворов:

К специальным тампонажным портландцементам относят сульфатостойкую смесь, устойчивую к агрессивным средам.

В сложных геологических условиях, в том числе если в разрезе имеются пласты поглощающие или склонные к гидроразрыву, цементирование глубоких скважин осуществляется с использованием облегченных растворов. Облегченный тампонажный цемент изготавливается путем введения добавок, снижающих плотность состава – золы, трепела, диатомита, алюмосиликатных микросфер и т.д.

Еще ниже плотность легких тампонажных цементов, предназначенных для работ на большой глубине и для ремонта разрушенных участков оболочки. Такие материалы проще закачивать, они обладают высокой адгезией и хорошо сцепляются со старой цементной оболочкой трубы, способны заполнять пустоты и трещины. Добавками служит каолин, полые алюмосиликатные микросферы и т.д.

Отличие тампонажного и расширяющегося цемента. При цементировании скважин в пористых и рыхлых горных породах требуется создать оболочку из цементного камня, не склонного к усадке.

Расширяющийся цемент содержит добавки, благодаря которым в цементном растворе происходят химические реакции с образованием кристаллических продуктов. Таким образом, раствор в процессе застывания увеличивается в объеме, при этом получившийся камень имеет плотную структуру. Обычные тампонажные цементы не расширяются при твердении.

Маркировка тампонажного цемента

Тампонажный цемент производится в соответствии с ГОСТ 1581-96. Материал имеет маркировку ПТЦ (портландцемент). В зависимости от характеристик и свойств, тампонажный цемент бывает:

В стандартной маркировке указывается тип цемента, его сульфатостойкость, средняя плотность, максимально допустимая температура применения, степень пластификации (ПЛ) или гидрофикации (ГФ), номер ГОСТа.

Рабочие характеристики зависят от марки тампонажного цемента и особенностей его изготовления. В таблице ниже приведены пределы, в которых могут варьироваться показатели материала.

230-270

Данные характеристики тампонажного цемента приводятся в сертификате на продукцию вместе с информацией о дате изготовления и объеме партии материала.

Сферы применения

Применение тампонажного цемента обусловлено его главным качеством: материал имеет высокие показатели прочности с самого начала затвердевания. Данный вид цемента в первую очередь предназначен для тампонирования нефтегазовых скважин. В процессе цементирования одновременно вытесняется буровая смесь.

Тампонажный цемент для скважин закачивается с помощью насосного оборудования – чтобы обеспечить текучесть раствора объем воды должен превышать объем сухих компонентов в два раза. Получившаяся масса (пульпа) характеризуется высокой подвижностью, после затвердевания она образует плотный монолит, не склонный к усадке, между обсадной трубой и стенками скважины. При этом материал плотно сцеплен как с трубой, так и со стенками пробуренного в горных породах ствола.

Цементная оболочка служит защитой обсадной трубы от сдвижек пластов, от контакта с грунтовыми водами, агрессивными газообразными средами. Тампонажный цемент применяется для укрепления дна скважины и сокращения ее глубины, для устранения повреждений самой обсадной колонны.

В строительстве данный вид цемента практически не используется. Исключением служит применение тампонажного цемента для фундамента из буровых свай, которые устанавливаются на сложных грунтах.

Заключение

Производители тампонажных цементов выпускают материалы с различными характеристиками для применения в любых условиях.

При подборе марки ПТЦ учитывается:

Чтобы готовый монолит отвечал всем требованиям, важно использовать свежий тампонажный цемент, который хранился в герметичной упаковке.

Источник

Тампонажный бетон

Устройство тампонажного слоя

При сооружении фундамента мелкого заложения в случае большого притока грунтовых вод в котловане приходится укладывать тампонажный слой бетона под фундаментом (рис. 2.8).

Технология укладки тампонажного бетонного слоя методом вертикально перемещаемой трубы (ВПТ) состоит в следующем:

По мере бетонирования литая бетонная смесь постепенно растекается по котловану. С водой соприкасается только верхний слой бетона, т.к. бетонная смесь подается внутрь ранее уложенного объема. После откачки воды из котлована слабый верхний слой бетона необходимо удалить. В процессе укладки бетона методом ВПТ бетонолитную трубу после загрузки в нее порции бетонной смеси слегка наддергивают и быстро осаживают. Это делается, чтобы в любом случае обеспечить заглубление трубы в бетонную смесь не менее чем на 0,8 м и не более чем на 2 м. Мастер обязан непрерывно делать промеры уровня бетона и контролировать достаточность погружения конца трубы в слой бетона.

Рис. 2.8 – Подводное бетонирование по методу ВПТ: a – общая схема; б – порядок работ; 1 – бетонолитная труба; 2 – воронка; 3 – подводный бетон; 4 – клапан; 5 – пробка

Для бетонирования водозащитной подушки в котловане используют несколько бетонолитных труб, которые размещают так, чтобы обслуживаемые ими площади участков перекрывали бетонируемую площадь, накладывала, одна на другую.

Радиус действия бетонолитной трубы R, м, определяется из выражения

где К – показатель сохранения подвижности бетонной смеси, – время, за которое осадка конуса уменьшается до 0,15 м (К = 0,65 ч);

I – интенсивность бетонирования, принимаемая для котлованов не менее 0,3 м3/м2ч (желательно, чтобы эта величина составляла 1–1,2 м3/м2ч, тогда R = 3–4,5 м).

Бетонирование начинают с одной из труб, расположенных у края котлована. Следующая труба включается в работу после того, как бетонная смесь, растекаясь по площади котлована, покроет нижний конец трубы на 30–40 см. При бетонировании несколькими трубами укладка бетонной смеси осуществляется последовательно. Расстояние между соседними трубами не должно превышать 0,7 радиуса действия трубы.

Осуществляя подводное бетонирование, нельзя допускать прорыва воды внутрь трубы. Если же это случилось, надо прекращать процесс бетонирования. Его можно возобновить немедленно, если перерыв не превысил время сохранения подвижности бетонной смеси. Если это время превышено, бетонирование можно продолжать только после достижения подводным бетоном прочности 2–2,5 МПа,

При укладке литой бетонной смеси получается подводный бетон низкой прочности (если расход цемента составляет 400 кг/м3, бетон получится прочностью всего в 10–15 МПа).

Когда есть необходимость получить подводный бетон более высокой прочности, надо резко увеличить расход цемента до 600 кг/м3 и повысить жесткость бетонной смеси. Но жесткая бетонная смесь плохо растекается по котловану, поэтому при ее укладке необходимо применять вибрирование. Для получения жестких бетонных смесей с осадкой конуса 6–10 см к концевому (нижнему) звену трубы длиной до 20 м жестко крепится один вибратор (вибробулава) или два, если длина трубы превышает 20 м. Вибрирование облегчает прохождение смеси по трубе и ее растекание по площади котлована. Максимальный радиус распространения жесткой бетонной смеси при подводном бетонировании с вибрированием составляет 3 м. Вынужденный перерыв в бетонировании не должен превышать 1,5 ч.

Минимальная толщина тампонажного слоя бетона, укладываемого на грунтовое дно, определяется по расчету из условия (hбabγб + G = hwγwab) – равенства веса подушки и гидростатического выталкивающего воздействия воды (с коэффициентом запаса 1,1), но не менее 1,5 м. Водоотлив из котлована разрешается только после набора подводным бетоном прочности не менее 5 МПа. Подводный массив, сооружаемый методом ВПТ, следует доводить до отметки, на 10 см превышающей проектную отметку, чтобы была возможность удалить верхний слабый слой бетона после откачки воды из котлована.

Для чего укладывается тампонажный слой бетона?

Для поддержания положительных температур и создания благоприятного термонапряженного состояния бетона, а также для надежной изоляции между бетоном и водой в уровне днища рекомендациями допускалось в зимнее время в случае необходимости укладывать подводным способом в опалубку тампонажный слой бетона толщиной 0,5 м ниже проектной отметки подошвы оголовка пирса. В тампонажный слой предварительно перед бетонированием укладывались паровые трубы. Кстати, монтаж металлоконструкций производят еще до укладки тампонажного слоя бетона.

Перед бетонированием тампонажного слоя для предотвращения его замерзания, а также для обогрева металлического шпунта вода в опалубке в месте укладки бетонной смеси прогревалась до температуры 15—20° С. Тампонажный слой бетона укладывался с температурой 12° С на днище опалубки под воду.

Прогрев тампонажного слоя осуществлялся паровыми трубами непрерывно в течение 1 —1,5 суток. После отвердевания тампонажного слоя бетона предполагались откачка воды из опалубки, последующая установка арматуры, отогрев горячим воздухом опалубки и ранее уложенного тампонажного слоя бетона и бетонирование «насухо».

Несмотря на выполнение всех мероприятий, предусмотренных рекомендациями, обеспечить полную непроницаемость опалубки не удалось, поэтому бетон укладывыетсяя частично в воду. Укладка бетона осуществлялась методом «с островка». Бетон подавался в одно место, при вибрировании он погружался на дно опалубки, поднимая верхние слои. При этом с водой соприкасался ограниченный объем бетона.

Блоки оголовка бетонировались непрерывно. Высота бетонируемых блоков находилась в пределах 1,5—2 м. При укладке бетона велся контроль за температурой, Объемом вовлекаемого воздуха и подвижностью транспортируемой бетонной смеси; осуществлялся отбор контрольных образцов из каждой партии бетона. Учитывая, что условия подогрева заполнителей и воды на бетонном узле не позволяли получить товарную смесь с температурой 30—35° С, а только с температурой 20°С (бетонная смесь после укладки имела температуру 12°С), было принято решение о дополнительном обогреве бетона паром в верхней части оголовка. С этой целью над оголовком устраивался временный деревянный короб, внутри которого прокладывались две паровые трубы на длину бетонируемого участка. Сверху короб изолировался толем.

Как показал анализ температурных полей в теле оголовка и причального выступа, полученных на гидроинтеграторе В. С. Лукьянова, с учетом подачи пара в верхнюю область оголовка, наблюдалось бурное тепловыделение в центре оголовка и в выступе.

В результате этого температура бетона поднялась во всех точках оголовка до 40—50° С, что позволило бетону набрать прочность 70% в течение трехсуточного срока твердения. Однако при этом в поверхностных слоях бетона сложилось неблагоприятное термонапряженное состояние. После остывания бетона до 0° С высверливались керны из бетона, находящегося в зоне переменного уровня воды, для последующего испытания бетона на морозостойкость.

Способ укладки тампонажного слоя в котловане, огражденном шпунтом

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано в транспортном и гидротехническом строительстве, например при укладке тампонажного слоя из подводного бетона на строительстве опор мостов, фундаментов под маяки и т.д. в шпунтовом ограждении.

Известен способ укладки подводного бетона методом вертикального перемещения трубы (ВПТ), состоящий из опускания бетонолитной трубы, в нижней части которой установлен открывающийся и закрывающийся клапан, установки внутрь трубы пробки и подачи бетонной смеси в бетонолитную трубу. За счет регулирования степени открытия клапана бетонная смесь, следуя за пробкой, постепенно опускается вниз и через нижний конец трубы выпускается на поверхность подводного грунта. Для дальнейшего бетонирования необходимо приподнимать трубу и производить бетонирование по высоте /JP, 60-498, E 02 D 15/06, 1985/.

Недостатком этого способа является то, что затвор расположен на некотором расстоянии от конца бетонолитной трубы и вода с грунтом попадает в бетонную смесь. Это приводит к неоднородности укладываемого бетона.

Известен способ укладки подводного бетона в обсадных трубах с использованием бетонолитной трубы, имеющей водонепроницаемый затвор в нижней части.

Способ заключается в следующем.

Загружают бетоном бункер с бетонолитной трубой, конец которой герметично закрыт затвором, затем уплотняют бетонную смесь в бетонолитной трубе вибратором и открывают затвор. После чего опускают бетонолитную трубу до низа бетонируемой конструкции и приподнимают на высоту 10-15 см, включают вибратор и укладывают бетон. Последующим заполнением бетонной смесью бетонолитной трубы и с лидерным ее подъемом производят бетонирование методом вертикального подъема трубы /метод ВПТ/ /SU, 392208, E 02 D 15/07, 1971/.

Недостатком такого способа ВПТ является то, что для достижения однородности укладываемой бетонной смеси необходимо постоянное расположение конца трубы в ранее уложенном бетоне.

При бетонировании, например, набивных свай этот метод широко применяется. Но при бетонировании больших площадей требуется установка нескольких таких устройств для непрерывности тампонажного слоя. Но в этом случае точная дозировка бетонной смеси не гарантируется.

Наиболее близким к описываемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ укладки тампонажного слоя, заключающийся в установке по верху шпунтового ограждения поперечного мостика с расположенными на нем несколькими бункерами с бетонолитными трубами, нижний конец которых перекрыт затвором. При открытых створках затвора производят бетонирование тампонажного слоя до достижения проектной отметки бетона под мостиком путем излива бетона из каждой трубы, причем ее нижний торец при этом размещен в изливаемом бетоне, после этого мостик перемонтируется на следующую полосу бетонирования /Костерин Э.В. Основания и фундаменты. М. Высшая школа, 1978, с. 124-126, рис. 5.13/.

Недостатком этого способа является громоздкость конструкции, сложность получения ровной поверхности тампонажного слоя и необходимость применения бетона большой пластичности для захвата большой площади бетонирования, что снижает прочность укладываемого бетона.

Техническим результатом предложения является снижение металлоемкости, возможной точной дозировки в любой точке площади бетонирования, увеличение прочности укладываемого бетона за счет увеличения жесткости бетонной смеси, исключение необходимости сдвижки ранее уложенного массива бетона. Кроме того, исключается необходимость непрерывности бетонирования, связанной с необязательностью заглубления бетонолитной трубы в ранее уложенный бетон. Технический результат достигается за счет того, что в способе укладки тампонажного слоя в котловане, огражденном шпунтом, включающем подводную укладку бетона на дно котлована отдельными участками путем установки на дне котлована загруженного бетоном бункера с прикрепленной к нему бетонолитной трубой, нижний конец которой перекрыт затвором со створками, подъем трубы с одновременным изливом из нее бетона при раскрытых створках затвора и с размещением при этом нижнего торца трубы в изливаемом бетоне, осуществляют на высоту, равную 0,5-0,6 ее диаметра, а излив бетона осуществляют в объеме, равном объему бункера, причем после излива бетона извлекают трубу из котлована при закрытых створках затвора, заполняют бункер бетоном и перемещают трубу на очередной участок бетонирования.

На плавучей опоре 1 установлен бетоносмеситель 2, который загружает бункер 3 с бетонолитной трубой 4, поднимаемый крюком крана 5.

В бункере 3 проходит направляющая труба 6, в которой расположен трос 7, связанный через рычаг 8 и тяги 9 с установленными шарнирно створками 10 водонепроницаемого затвора 11.

Трос 7 связан через блочок 12 с лебедкой 13, установленной на бункере 3.

Способ осуществляется следующим образом.

Бункер 3 с бетонолитной трубой 4 и закрытым водонепроницаемым затвором 11 загружают бетонной смесью из бетоносмесителя 2, установленного на плавучей опоре 1, затем краном переносят бункер 3 с бетонолитной трубой 4 в шпунтовое ограждение 14 в место, где необходимо произвести бетонирование, и устанавливают бетонолитную трубу 4 затвором 11 на грунт.

После этого расфиксируют створки 10 затвора 11, стравив трос 7 лебедки 13. Крюком 5 крана приподнимают бункер 3 с бетонолитной трубой 4 на высоту 0,5-0,6 диаметра трубы и порция бетонной смеси, равная объему бункера 3, укладывается в ранее намеченном месте, вытесняя илистый грунт.

Торец бетонолитной трубы в это время располагается в укладываемом бетоне. Экспериментально было выяснено, что при загрузке полностью бункера 3 объема 2,5-3,0 куб.м. для укладки бетонной смеси на грунт необходимо приподнять бетонолитную трубу 4 на 0,5-0,6 ее диаметра /диаметр бетонолитной трубы 300 мм/.

После укладки бетонной смеси бункер 3 с бетонолитной трубой 4 извлекают из воды, закрывают створки 10 водонепроницаемого затвора 11, подтянув трос 7 лебедкой 13, и вновь загружают бункер 3 бетонной смесью.

Бетонолитную трубу 4 подают уже к ранее уложенному бетонному слою и, проделав те же операции, укладывают новую порцию бетонной смеси с перекрытием на ранее уложенный бетон.

Процесс повторяется до полной укладки тампонажного слоя в шпунтовом ограждении.

Способ укладки тампонажного слоя в котловане, огражденном шпунтом, включающий подводную укладку бетона на дно котлована отдельными участками путем установки на дне участка котлована загруженного бетоном бункера с прикрепленной к нему бетонолитной трубой, нижний конец которой перекрыт затвором со створками, подъем трубы с одновременным изливом из нее бетона при раскрытых створках затвора и с размещением при этом нижнего торца трубы в изливаемом бетоне, отличающийся тем, что подъем трубы осуществляют на высоту 0,5 0,6 ее диаметра, а излив бетона осуществляют в объеме, равном объему бункера, причем после излива бетона извлекают трубу из котлована при закрытых створках затвора, заполняют бункер бетоном и перемещают трубу на очередной участок бетонирования.

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5

Тампонажным цементом называется портландцемент (обыкновенный или его разновидность), пригодный для цементации нефтяных скважин.

Он имеет состав обычного портландцемента, как показывает следующая выдержка, взятая из стандарта 10-А Американского нефтяного института на тампонажный цемент:

«Определение. Цемент, соответствующий настоящим техническим условиям, представляет собой продукт помола клинкера, состоящего в основном из гидравлических силикатов кальция, к которому не разрешается добавлять при помоле или после него никаких веществ, кроме соответствующих добавок для регулирования схватывания.

Добавкой, регулирующей схватывание, может быть вещество, не оказывающее вредного действия на долговечность цемента и не вызывающее падения прочности после первого дня твердения».

Тампонажные цементы делятся на два вида: 1) цементы нормального схватывания и 2) цементы замедленного схватывания. К первому виду относятся три класса цементов, охватываемых стандартом АСТМ С-150—55:

Класс А. В основном стандартный портландцемент типа I, который может применяться для тампонирования нефтяных скважин глубиной не больше 1800 м, где от него не требуется никаких специальных свойств.

Класс В. В основном стандартный портландцемент типа II, который может применяться для тампонирования нефтяных скважин глубиной не больше 1800 м в условиях умеренной сульфатной агрессии.

Класс С. В основном стандартный портландцемент типа III, который может применяться для тампонирования нефтяных скважин глубиной не больше 1800 м в тех случаях, когда требуется высокая прочность в ранние сроки твердения.

Однако, поскольку эти портландцемента применяются в необычных условиях, к ним предъявляются несколько отличные от стандартных требования в отношении физических свойств, в частности, е отношении прочности и сроков загустевания.

Тампонажные цементы медленного схватывания отличаются от обыкновенных цементов тем, что в них содержатся специальные замедлители, добавляемые, помимо гипса (или вместо гипса), при помоле или после него. Назначение этих добавок состоит в том, чтобы замедлить гидратацию цемента и таким образом удлинить сроки схватывания при тампонировании скважин глубиной от 1800 до 4800 м. В таких глубоких скважинах температура и давление на дне столь высоки, что обычный портландцементный раствор схватился бы и затвердел раньше, чем его удалось бы накачать до требуемой глубины.

Тампонажный цемент применяется в виде жидкого теста или пульпы, содержащей 40—50% воды (по весу цемента), и накачивается в скважину насосом. Время, по истечении которого тесто становится слишком густым (или вязким) и не может накачиваться насосом, называется сроком загустевания тампонажного цемента. Срок загустевания зависит от таких факторов, как вид цемента, водо-цементное отношение, давление и температура на дне скважины. Он определяется в лаборатории и характеризуется временем, необходимым для того, чтобы вязкость теста достигла 100 пуазов (или иной заданной величины) при испытании на стандартном приборе, называемом консистометром и специально сконструированном для данной цели.

Согласно стандарту 10-А Американского нефтяного института (1952 г.), тампонажные цементы замедленного схватывания делятся на три класса: D, Е и F и предназначаются для цементации нефтяных скважин глубиной соответственно 3600, 4200 и 4800 м. С дальнейшим улучшением качества замедлителей и цементов число этих классов можно будет сократить до двух и даже до одного. Вместе с тем по мере углубления скважин до 5400 и 6000 м и усложнения условий бурения может возникнуть необходимость в создании цемента нового класса.

Бурение нефтяных скважин в США началось в 1859 г. Однако-до 1907—1908 гг. тампонирование скважин не производилось. К этому периоду относится первая удачная попытка уплотнения обсадных труб портландцементным тестом для защиты нефтяных слоев от проникания воды. Эти первые опыты, хотя они и проводились с помощью весьма примитивного оборудования, подтвердили пригодность портландцемента для этих целей и открыли новую область для его применения. С момента этих опытов началось развитие специальных тампонажных цементов.

Вначале для тампонирования нефтяных скважин применялся обыкновенный портландцемент, который в те времена не имел нормированного минералогического состава и характеризовался довольно грубым помолом — до величины удельной поверхности 1200—1300 см2/г (по Вагнеру). Портландцемент грубого помола отличался медленным схватыванием, особенно при тех температурах и давлениях, которые наблюдались в сравнительно неглубоких скважинах того времени. Таким образом, пуск скважины в эксплуатацию зачастую задерживался до тех пор, пока цемент не схватывался и не приобретал необходимую прочность. Эта задержка носила название «выжидательного срока» и в наше время стала отрицательной величиной, так как при современных сложных методах бурения цемент успевает приобрести необходимую прочность еще до окончания буровых работ.

В связи с «выжидательным сроком» нефтяники видвинули требование, чтобы цемент для тампонирования скважин имел более высокую тонкость помола, а следовательно, быстрее схватывался и набирал заданную прочность. Поэтому многие тампонажные цементы в первое время представляли собой просто стандартные портландцементы, измолотые до удельной поверхности 1800— 2000 см2)г (по Вагнеру) и продававшиеся по более дорогой цене из-за дополнительных расходов на помол. Постепенно тонкость помола тампонажных цементов повышалась, и современный цемент класса С в этом отношении приближается к быстротвердею-щему портландцементу типа III.

Но углубление нефтяных скважин, сопровождающееся повышением температуры и давления, вызвало значительное ускорение гидратации цемента. В результате оказалось, что тонкомолотые тампонажные цементы схватываются слишком быстро и не успевают достигнуть нижних слоев скважины. В связи с этим наметилась тенденция к постепенному понижению тонкости помола и к введению в цемент добавок, замедляющих схватывание.

Начало применению специальных замедлителей положила фирма Халлибартон, занимавшаяся бурением глубоких нефтяных скважин. Она использовала для замедления схватывания цемента при тампонировании смесь гуммиарабика и борной кислоты, которая усиливала замедляющее действие гипса, добавляемого при помоле. С тех пор было найдено много других замедлителей, как, например, казеин, различные соединения лигнина и т. д. Однако ни один из применяемых ныне замедлителей не является эффективным на глубине 4800 м и больше.

Исходя из того, что причиной быстрого схватывания и твердения цемента, особенно в условиях повышенных температур и давлений, является присутствие трехкальциевого алюмината, Суэйзе из фирмы Лоун Стар изготовил специальный клинкер с нулевым содержанием СзА. Будучи сравнительно крупно измолот, этот клинкер дал цемент, который сохранял в течение очень долгого времени способность к накачиванию (т. е. подвижность). Безалю-минатный клинкер был получен путем введения в сырьевую смесь такого количества железа, которое связало весь глинозем в форме C4AF и частично — C2F. Безалюминатный или малоалюминат-ный цемент до сих пор производится на нескольких заводах в США и Мексике.

Хотя в стандарте предусматривается минимальная прочность для медленно схватывающегося тампонажного цемента класса Е, на практике этот показатель не играет существенной роли. Например, Фаррис показал, что минимальная прочность на растяжение должна составлять 0,56 кг/см2, а время, необходимое для получения этой прочности, в 3 раза больше того, которое требуется для придания цементному шламу вязкости в 100 паузов. Для тампо-нажного цемента достаточна такая прочность, которая предохраняет его от разрушения при удалении цементной пробки или при спуске давления в обсадной трубе.

Решающим показателем при испытании медленно схватывающихся тампонажных цементов является время загустевания. Для этого испытания созданы различные приборы: консистометр Калифорния Стандард (КС), консистометр Халлибартон и консистометр Станолинд. Первые два предназначены для определения загустевания цементной пульпы (40% воды к весу цемента) только в условиях повышенного давления. Консистометр Станолинд позволяет измерять загустевание при повышенных давлениях и температурах, что делает его более эффективным в условиях прохождения глубоких скважин.

Тампонажные цементы предназначаются для заполнения частично или полностью свободного пространства между обсадной трубой и стенками скважины, чтобы предупредить просачивание воды в нефтеносный слой и выбросы нефти и газов, защитить обсадные трубы от разъедающего действия агрессивных вод и закрепить обсадку, уменьшив тем самым напряжение на стальные трубы.

Помимо того, тампонажные цементы применяются для прекращения доступа воды в скважину, для уменьшения перемешивания газа и нефти путем закупорки трещин и пор в породе, а также для корректировки ошибок при перфорации обсадных труб на различном уровне. Они могут быть использованы и для таких целей, как заливка скважины для уменьшения ее глубины, создание защитных слоев на нижней части обсадной трубы и заделка повреждений в обсадных трубах.

Источник