Результат интеллектуальной деятельности: Облегченная тампонажная смесь

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, в частности к тампонажным смесям, и может быть использовано при одноступенчатом цементировании протяженных (более 2500 м) обсадных колонн, перекрывающих интервалы проницаемых пластов и пластов с низкими градиентами гидроразрыва при нормальных и умеренных температурах.

Известен тампонажный состав, предназначенный для крепления нефтяных и газовых скважин, содержащий, мас.ч., портландцемент - 80-120, золу-унос - 80-120, асбест - 2-3, минеральную соль - 1,0-1,5, воду - 120 [RU 2013525 С1, МПК5 Е21В 33/138, опубл. 30.05.1994]. В качестве минеральной соли используют смесь хлорида и сульфата натрия в соотношении 1:1. Состав характеризуется деформирующими свойствами при одновременном повышении прочности цементного камня и сцепления его с обсадной колонной.

Недостатком известного состава является повышенная плотность раствора при низкой растекаемости, что не позволяет цементировать обсадные колонны одним составом по всей длине. Для получения необходимой прочности камня требуется обязательное использование смеси хлорида и сульфата натрия.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по составу является облегченная тампонажная смесь, включающая, мас.%: портландцемент тампонажный 47-49, золу-уноса ТЭЦ - 45-47, микрокремнезем конденсированный МК-85 или МК-65 - 3-5, модифицированный силикат натрия «Монасил - 1-2 [RU №2369720 С1, МПК Е21В 33/00 (206.01), опубл. 10.10.2009].

Недостатками известной смеси являются низкая прочность тампонажного камня при нормальных и умеренных температурах, короткие сроки загустевания раствора при умеренной температуре. Указанные недостатки не позволяют обеспечить высокую герметичность затрубного пространства по всему интервалу при цементировании протяженных (более 2500 м) обсадных колонн прямым способом в одну ступень одним составом. Поэтому применяются способы цементирования протяженных обсадных колонн двумя составами смесей или с использованием муфт ступенчатого цементирования, что повышает стоимость работ и увеличивает время на крепление скважин.

При разработке изобретения решалась задача повышения качества крепления скважин при цементировании протяженных (более 2500 м) обсадных колонн, перекрывающих интервалы проницаемых пластов и пластов с низкими градиентами гидроразрыва (менее 0,0165 МПа/м) при нормальных и умеренных температурах, путем разработки облегченной тампонажной смеси с плотностью раствора 1600±20 кг/м³ для цементирования протяженных (более 2500 м) обсадных колонн в одну ступень одним составом.

При осуществлении изобретения поставленная задача достигается за счет обеспечения технического результата, который заключается в повышении качества крепления скважин путем улучшения физико-механических свойств тампонажного состава и формируемого камня за счет повышения его прочности по всему интервалу размещения при нормальных и умеренных температурах и обеспечения необходимого времени загустевания для безопасного выполнения работ по цементированию.

Указанный технический результат достигается тем, что в облегченной тампонажной смеси, включающей портландцемент тампонажный, золу-уноса ТЭЦ, микрокремнезем МК-85 или МК-65 и добавки, особенностью является то, что в качестве добавок содержит регулятор структурообразования гидроксиэтилцеллюлозу Натросол 250, нитрилотриметилфосфоновую кислоту НТФК и хлорид натрия, при следующем соотношении компонентов, мас.%: портландцемент тампонажный - 47,83-48,77, зола-уноса ТЭЦ - 44,94-47,80, микрокремнезем МК-85 или МК-65 - 0,96-2,93, Натросол 250 - 0,29-0,49, НТФК - 0,01-0,02, хлорид натрия - 1,95-3,83.

Отличительными признаками заявляемой облегченной тампонажной смеси от облегченной тампонажной смеси по прототипу являются наличие регулятора структурообразования, НТФК и хлорида натрия, количественное соотношение основных компонентов, а также назначение.

Зола-уноса является облегчающей и активной минеральной добавкой в смеси, обеспечивает формирование прочного цементного камня за счет реакции с продуктами гидратации цемента при умеренных и нормальных температурах.

Наличие микрокремнезема в аморфной форме позволяет ускорить кристаллизационные процессы взаимодействия продуктов гидратации цемента и интенсифицировать дополнительную кристаллизацию новообразований при взаимодействии части продуктов гидратации с золой-уноса. Благодаря высокой дисперсности и активности эта добавка в сочетании с Натрасолом 250 обеспечивает регулирование структурообразования и формирование более упорядоченной и более прочной кристаллизационной структуры камня с повышением температуры. При снижении температуры после термического воздействия, микрокремнезем оказывает ускоряющее действие на раствор и интенсифицирует набор прочности камня при размещении в интервалах с наличием нормальных температур.

Влияние НТФК, при его сочетании с Натрасолом 250, заключается в увеличении продолжительности периода коагуляционного структурообразования при умеренной температуре для безопасного выполнения работ по цементированию протяженных обсадных колонн. По истечении указанного индукционного периода действие НТФК прекращается и происходит регулируемое структурообразование при реакции цемента, золы-уноса, микрокремнезема и Натрасола 250 с последующим быстрым переходом к выкристаллизации продуктов взаимодействия и образованием прочного камня.

При снижении температуры от умеренной до нормальной для «головной» части тампонажного раствора на основе предлагаемой смеси, замедляющее действие НТФК сохраняется еще необходимое время, а после окончания процесса цементирования нейтрализуется хлоридом натрия.

Помимо нейтрализующего действия, хлорид натрия при снижении температуры является компонентом, усиливающим степень гидратации цемента и интенсифицирующим взаимодействие продуктов гидратации цемента с золой уносом и микрокремнеземом, что обеспечивает получение камня высокой прочности при нормальных температурах.

Взаимное влияние компонентов друг на друга, их синергетическое действие позволяет получить облегченную тампонажную смесь, обеспечивающую повышение качества крепления скважин за счет повышения прочности формируемого камня по всему интервалу размещения при нормальных и умеренных температурах и обеспечения необходимого времени загустевания для безопасного выполнения работ по цементированию.

Для приготовления предлагаемой облегченной тампонажной смеси использованы следующие компоненты:

портландцемент тампонажный, в частности ПЦТ I-100 по ГОСТ 1581-96, производитель ОАО «Сухоложскцемент»;

зола-уноса ТЭЦ по ГОСТ 25818-91, представляющая собой тонко дисперсионную смесь по химическому составу, в (%): SiO₂ (60,7-60,8), Аl₂O₃ (27,9-27,93), Fe₂O₃+FeO (4,5-5,12), K₂O (0,24-0,4), Na₂O (0,23-0,85), СаO (2,2-2,4), MgO (0,74-1,0), п.п.п. (1,72-2,04). Характерными свойствами являются низкая истинная плотность 2,0-2,4 г/см³, высокая дисперсность 2000-4000 см²/г, что дает возможность сочетать большую дозировку с низким водоцементном соотношении;

микрокремнезем МК-85 или МК-65 по ТУ 1714-457-05785388-2011 - ультрадисперсный порошкообразный материал, состоящий из частиц сферической формы, получаемый в процессе газоочистки печей при производстве кремнийсодержащих сплавов, основным компонентом является диоксид кремния аморфной модификации;

натросол 250 - водорастворимая гидроксиэтилцеллюлоза, (ТУ 0799-001-99126491-2013);

нитрилотриметилфосфоновая кислота НТФК, химическая формула C₃H12NO₉P₃, кристаллический сыпучий порошок, хорошо растворимый в воде, щелочах, кислотах ГОСТ 6318-17 (ТУ 2439-347-05763441-2001);

хлорид натрия по ГОСТ 4233-77.

Основные технологические свойства раствора и камня определялись в соответствии с ГОСТ 26798.1-96 «Цементы тампонажные. Методы испытаний». Плотность раствора определялась пикнометром, растекаемость - формой-конусом, водоотделение - в двух цилиндрах объемом 250 мл. Тестирование на время загустевания раствора облегченной смеси выполнялось на высокотемпературном консистометре высокого давления 7025 (фирма «Chandler Engineering»).

Хранение образцов при температурах 22°С и 75°С производилось в камере твердения 1910 (фирма «Chandler Engineering»), а определение предела прочности камня при сжатии через 48 ч твердения - на испытательной машине 4207 (фирма «Chandler Engineering»). Предварительно раствор облегченной тампонажной смеси кондиционировался в консистометре при температуре 75°С и атмосферном давлении (создание режимной температуры в течение 120 мин и перемешивании при данном режиме в течение 20 мин).

Облегченная тампонажная смесь приготавливалась следующим образом. Вначале в заданных соотношениях смешивались сухие компоненты, полученный материал тщательно перемешивался вручную для гомогенизации. Затем производилось затворение материала водой в смесителе лабораторном СЛ-1 согласно ГОСТ 26798.1-96 и определялись технологические свойства полученного раствора и сформированного камня.

Пример. Для приготовления раствора предлагаемой смеси (таблица, состав 1) необходимо 47,83 мас.% ПЦТ 1-100; 44,97 мас.% зола-унос ТЭЦ; 2,87 мас.% МК-85; 0,48 мас.% Натрасол 250; 0,02% мас.% НТФК; 3,83 мас.% хлористого натрия перемешать до получения гомогенного состава. Далее из полученной облеченной тампонажной смеси приготавливают облегченный тампонажный раствор путем затворения смеси технической водой при водосмесевом отношении 0,63. После перемешивания в течение трех минут определяют плотность, растекаемость, водоотделение, время загустевания полученного раствора. Оставшуюся часть раствора облегченной смеси кондиционируют в консистометре при температуре 75°С и затем раствор заливают в формы-кубики для определения предела прочности при сжатии и хранят при температурах 22°С и 75°С.

Приготовленный раствор имеет плотность 1,60 г/см³, растекаемость 263 мм, водоотделение 0,0 мл, время загустевания до 70 Вс составляет 198 мин, предел прочности камня при сжатии при температуре 22°С составляет 7,9 МПа, при температуре 75°С составляет 21,3 МПа.

Примеры приготовления и испытания остальных составов, приведенных в таблице, аналогичны вышеописанному.

Для выявления отличительных признаков и заявляемого технического результата изменяли массовые соотношения ингредиентов.

Как видно из таблицы, заявляемая облегченная тампонажная смесь, включающая портландцемент тампонажный, золу-уноса ТЭЦ, микрокремнезем МК-85 или МК-65 и в качестве добавок содержащая регулятор структурообразования гидроксиэтилцеллюлозу Натросол 250, нитрилотриметилфосфоновую кислоту НТФК и хлорид натрия, при указанном соотношении компонентов превосходит известные из уровня техники аналоги, а именно: характеризуется повышенной прочностью камня в диапазоне нормальных и умеренных температур; необходимым временем загустевания раствора смеси с плотностью 1,60±0,02 г/см³ при умеренной температуре; низким водоотделением при высокой растекаемости раствора. Указанные преимущества позволяют получить необходимый технический результат и обеспечить высокую герметичность крепи во всем интервале размещения при нормальной и умеренной температурах, обеспечить необходимое время загустевания для безопасного выполнения работ по цементированию при умеренной температуре.

В случае запредельных соотношений компонентов смеси, приготавливаемые растворы характеризуются неприемлемыми низкими значениями времени загустевания при умеренной температуре (запредельные значения 95 мин), низкой прочностью камня при нормальной и умеренной температурах (запредельные значения предела прочности камня при сжатии 2,8 МПа и 13,1 МПа соответственно), неудовлетворительной растекаемостью растворов (запредельные значения 162 мм) при приемлемых значениях предела прочности камня при сжатии, повышенным водоотделением растворов (запредельные значения 2,3 мл) при высокой растекаемости.

Таким образом, заявляемая облегченная тампонажная смесь позволяет производить цементирование протяженных (более 2500 м) обсадных колонн в одну ступень одним составом, в отличие от традиционных схем цементирования, предусматривающих использование двух видов тампонажных растворов (нормальной плотности и облегченного) или двухступенчатое цементирование с разрывом во времени, обеспечить высокую герметичность затрубного пространства по всему интервалу цементирования, что соответственно позволяет снизить стоимость работ и сократить время на крепление скважин.