Результат интеллектуальной деятельности: ТАМПОНАЖНЫЙ РАСТВОР

Изобретение относится к области строительства и обслуживания скважин, в частности к тампонажным растворам для цементирования обсадных колонн, газоконденсатных и нефтяных скважин, осложненных наличием слабосвязанных, склонных к гидроразрыву многолетних мерзлых пород.

Известен тампонажный раствор (патент РФ №2315077, опубликован 20.01.2008), содержащий портландцемент, воду и пластификатор - алкилбензилметиламин хлорид и поливинилпирролидон при следующем соотношении компонентов мас. %: портландцемент - 66, алкилбензилметиламин хлорид от 0,1 до 0,3, поливинилпирролидон - 0,2, вода - остальное.

К недостатку данного состава следует отнести отсутствие необходимого коэффициента расширения тампонажного камня.

Известен расширяющийся тампонажный раствор с регулируемыми технологическими свойствами (патент РФ №2536725, опубликован 27.12.2014), содержащий жидкость затворения - воду и основу, состоящую из портландцемента тампонажного, гидрооксиэтилцеллюлозы, пластификатора поликарбоксилата, полигликоля ПЛАСТЭК ПГ-07, хлорида кальция, алюмосиликатной пуццолановой добавки метакаолина, диабазовой муки и расширяющей добавки - продукта совместного помола отхода доменного шлака и негашеной извести ДРС-НУ среднего химического состава, мас. %: CaO+MgO от 72 до 91; SiO₂ от 7 до 23; Al₂O₃ от 0 до 4; Fe₂O₃ от 0 до 2,5; прочие примеси от 0 до 4,5, при следующем соотношении ингредиентов, мас. %: портландцемента тампонажного от 93,70 до 93,85; гидроксиэтилцеллюлозы от 0,15 до 0,23; пластификатора поликарбоксилата от 0,8 до 0,12; полигликоля ПЛАСТЭК ПГ-07 от 0,02 до 0,06; расширяющей добавки ДРС-НУ от 3,95 до 4,0; метакаолина от 0,45 до 0,54; диабазовой муки от 1,05 до 1,26; хлорида кальция от 0,45 до 1,0. Содержание воды в растворе обеспечивает водосмесевое соотношение с основой от 0,45 до 0,55.

Недостатком состава является незначительное расширение тампонажного раствора и камня и низкая прочность контакта тампонажного камня с металлом обсадных труб и горными породами.

Известен тампонажный раствор (патент РФ №2471846, опубликован 10.01.2013), включающий тампонажный портландцемент, понизитель водоотдачи, пластификатор и структурообразователь, причем в качестве структурообразователя раствор содержит микрокремнезем МК-85 и раствор хлорида кальция, в качестве понизителя водоотдачи - натросол 250 EXR, в качестве пластификатора - окзил-см при следующем соотношении компонентов, мас. %: портландцемент тампонажный от 58,46 до 60,64; микрокремнезем МК-85 от 1,19 до 1,24; раствор CaCl₂ от 32,81 до 34,04; натросол 250 EXR от 2,62 до 2,72; окзил-см от 1,36 до 4,92.

К недостатку данного состава следует отнести отсутствие необходимого коэффициента расширения тампонажного камня, и низкий уровень агдезии камня с колонной, приводящее к межколонным перетокам, а также пониженную прочность цементного камня.

Известен тампонажный раствор (патент РФ №2441897, опубликован 10.02.2012), содержащий цемент, гидроксиэтилцеллюлозу, пластификатор, пеногаситель и дополнительно синтетические волокна диаметром от 0,001 до 0,1 длиной от 1 до 20 мм, расширяющую добавку при следующем соотношении, мас. ч: цемент - 100; гидроксиэтилцеллюлоза от 0,2 до 0,4; пластификатор от 0,1 до 0,5; пеногаситель - 0,2; синтетические волокна от 0,1 до 4; расширяющая добавка от 0,1 до 20; вода от 49 до 51.

Недостатком данного состава является значительная усадка цементного камня при затвердевании, что приводит к ухудшению качества цементирования скважин и их поверхностных слоев.

Известен облегченный тампонажный раствор (патент РФ №2151271, опубликован 20.06.2000), принятый за прототип, содержащий тампонажный портландцемент, облегчающий материал - алюмосиликатные полые микросферы, расширяющий компонент - карбоалюминатную добавку в смеси с гипсом, воду или 4% водный раствор CaCl2. Тампонажный раствор содержит ингредиенты в следующем соотношении, мас. %: портландцемент тампонажный от 36,47 до 57,34; алюмосиликатные полые микросферы от 6,47 до 17,65; карбоалюминатная добавка от 1,18 до 2,67; гипс от 1,18 до 2,67; вода или 4%-ный раствор хлорида кальция - остальное. Состав имеет плотность от 1240 до 1580 кг/см3, прочность камня на изгиб от 1,0 до 2,8 МПа. Расширение камня через двое суток до 0,22%.

Недостатком данного раствора является гравитационное разделение фаз во время процесса затвердевания, что приводит к неоднородности поверхности, и локальным разрушениям при последующей эксплуатации скважин. Повышение седиментационной устойчивости путем снижения водоцементного отношения (В/Ц) или увеличение содержания микросфер приводит к ухудшению реологических свойств растворов и трещинообразованию в цементном камне по поверхности скважины.

Техническим результатом является повышение прочности тампонажного раствора при улучшении его эксплуатационных характеристик и повышении активности расширяющего компонента, повышающего адгезионные свойства тампонажного камня, снижающего его деформационные свойства в широком диапазоне температур.

Технический результат достигается тем, в качестве расширяющегося компонента тампонажный раствор содержит оксид кальция, при этом он дополнительно содержит микросилику при следующем соотношении компонентов, мас. %:

а содержание 4%-ого водного раствора хлорида кальция в тампонажном растворе обеспечивает соотношение водной смеси с основой от 0,6 до 0,7.

Заявляемый тампонажный состав включает в себя следующие реагенты и товарные продукты, их содержащие:

Оксид кальция от 10 до 15, выпускаемый по ГОСТ 8677-76.

Микросилика от 12 до 16, выпускаемый по ГОСТ Р 56178-2014.

Тампонажный портландцемент ПТЦ-1-50 - остальное, выпускаемый по ГОСТ 1581-96.

4%-ого водного раствора хлорида кальция, выпускаемый по ГОСТ ГОСТ 450-77, в тампонажном растворе обеспечивает соотношение водной смеси с основой от 0,6 до 0,7.

Выбранный состав тампонажного раствора для крепления скважин в криолитозоне повышает прочность и расширение цементного камня, при этом предложенный состав обладает повышенной седиментационной устойчивостью и морозоустойчивостью. Предлагаемый состав тампонажного раствора для крепления обсадных колонн в криолитозоне отвечает предъявляемым требованиям к цементному камню, применяемому при креплении скважин в условиях многолетних мерзлых пород.

Основой тампонажного раствора для крепления скважин в криолитозоне является тампонажный портландцемент ПТЦ-1-50. Как известно, портландцемента схватываются и твердеют с общим уменьшением объема. В строительстве данная проблема решается введением инертных наполнителей и заполнителей. В предлагаемом изобретении в качестве расширяющегося тампонажного материала вводят оксид кальция в количестве от 10 до 15 мас. %. Кроме того, добавка оксида кальция используются для предотвращения деструктивных процессов в формируемом цементном камне. Добавка позволяет создавать кристаллизационное давление, которое образуется при кристаллизации труднорастворимых гидроксидов во время гидратации. Наиболее оптимальное содержание оксида кальция в тампонажном растворе (для достижения максимальной прочности раствора) от 10 до 15% мас. При введении оксида кальция менее 10% мас. добавка оказывает незначительное влияние на сроки схватывания и прочность цемента. При введении оксида кальция более 15% мас. значительно снижается прочность камня на изгиб.

Микросилика добавляется в качестве концентрата наноструктур, при введении которой увеличивается прочность цементного камня на сжатие и изгиб, его морозостойкость, а также снижается его проницаемость. Использование микросилики в составе тампонажного раствора для крепления скважин в криолитозоне приводит к значительному уплотнению цементного камня и соответственному улучшению его механических свойств. Кроме того, модификация материала микросилики стабилизирует важнейшие валентные взаимодействия Са - Si - Н, ответственные за связность бетона, уменьшая вымывание кальция и увеличивая его влагоустойчивость.

Проведенные эксперименты позволили установить наиболее оптимальное содержание микросилики в тампонажном растворе (для достижения максимальной прочности растворов) от 12 до 16% мас. Тампонажный раствор с добавками микросилики в предложенном диапазоне характеризуется седиментационной устойчивостью, а цементный камень с добавками микросилики в предложенном диапазоне обладает низкой проницаемостью. При добавлении микросилики наблюдается также повышение плотности и снижение пористости цементного камня, что, как следствие, приводит к улучшению его водонепроницаемости и коррозионной стойкости. Добавка микросилики менее 12% мас. недостаточно увеличивает прочность тампонажного раствора. При повышении содержания микросилики в составе тампонажного раствора более 16% мас. происходит растрескивания образцов, при этом значительно снижается морозостойкость цементного камня.

4%-ый водный раствор хлорида кальция добавляют в качестве ускорителя сроков твердения. Содержание 4%-ого водного раствора хлорида кальция в тампонажном растворе обеспечивает соотношение водной смеси с основой от 0,6 до 0,7. Подобранный диапазон соотношения водной смеси с основой позволяет получить тампонажный раствор без оказания отрицательного влияния на прочностные характеристики формирующегося расширяющегося цементного камня.

Тампонажный раствор при граничных значениях оксида кальция от 10 до 15% мас., микросилики от 12 до 16% мас., тампонажного портландцемента ПТЦ-1-50, при соотношение водной смеси с основой от 0,6 до 0,7, за счет добавки 4%-ого водного раствора хлорида кальция, имеет плотность от 1920 до 1990 кг/м³ и характеризуется значительным расширением формирующегося из него камня, а также увеличением прочности.

Приготовление расширяющегося тампонажного раствора осуществляют следующим образом. Во время приготовления тампонажного раствора оксид кальция и микросилику смешивали с портландцементом ПЦТ-1-50 в сухом виде при различных соотношениях. В качестве жидкости затворения использовалась 4%-ый водный раствор хлорида кальция. Затворение тампонажной суспензии осуществлялось в соответствии с ГОСТ 1581-96. После чего определялось влияние количества вводимой микросилики и оксида кальция на плотность, сроки схватывания тампонажного раствора, прочность и расширение формирующегося из него тампонажного камня. Определение основных свойств тампонажного раствора и камня проводили при температуре (20±2)°С в соответствии с ГОСТ 26798.1-96 «Цементы тампонажные. Методы испытаний».

Способ поясняется следующими примерами.

Пример 1. Для приготовления 1 кг тампонажного раствора использовали 780 г (78 мас. %:) тампонажного цемента ПТЦ-1-50, затем смешивали с 100 г оксида кальция (10 мас. %), и с 120 г микросилики (12 мас. %), после чего добавляли 4%-ый раствор хлорида кальция в количестве, обеспечивающим соотношение водной смеси с основой равное 0,6. После чего полученный состав перемешивали 3 минуты, затем определяли плотность и растекаемость тампонажного раствора. После чего раствор заливали в формы для определения сроков схватывания. Камень испытывали на прочность через 2, 7 и 14 суток и на расширение через 2, 7 и 14 суток.

Примеры 2-8. Приготовление и испытания остальных тампонажных растворов, представленных в табл. 1, аналогичны.

Данные о составе исследованных тампонажных растворов и данные о свойствах тампонажных растворов, затворенных по заявляемой рецептуре, приведены в таблице 1. Как видно из данных таблицы 1, предлагаемые тампонажные растворы характеризуются улучшенными значениями показателей основных технологических свойств, а именно, прочность цементного камня и расширение цементного камня.

Таким образом, как показано в вышеприведенном описании изобретения, достигается технический результат, заключающийся в повышение прочности тампонажного раствора при улучшении его эксплуатационных характеристик и повышении активности расширяющего компонента, повышающего адгезионные свойства тампонажного камня, снижающего его деформационные свойства в широком диапазоне температур.

Предложенное техническое решение может быть использовано при цементировании обсадных колонн газовых, газоконденсатных и нефтяных скважин, осложненных наличием слабосвязанных, склонных к гидроразрыву многолетних мерзлых пород.