Тампонажный раствор низкой плотности

Изобретение относится к строительству нефтяных и газовых скважин, в частности к тампонажным смесям, предназначенным для крепления боковых стволов скважин в условиях повышенных рисков поглощений тампонажных растворов.

При строительстве скважин БВС на месторождениях, геологический разрез которых характеризуется отсутствием или минимальным размером перемычек между водо- и нефтенасыщенными частями пласта, а также АНПД, для повышения качества изоляции затрубного пространства хвостовиков необходима разработка и применение облегченных тампонажных растворов, со специальными свойствами. К таким составам относятся составы с низкой плотностью тампонажного раствора, с длительным временем загустевания при повышенных прочностных и адгезионных характеристиках цементного камня.

Известен легкий тампонажный материал по патенту RU №2256774 С2 (Прототип 1) [1], применяемый в качестве строительного материала, в том числе для цементирования нефтяных, газовых и геотермальных скважин, имеющий плотность 1,1-1,4 г/см³, состоящий из смеси одной из марок известного цемента и легковесного наполнителя, который состоит из композиции, содержащей полые алюмосиликатные микросферы, каолин и поверхностно-активный гидроксид алюминия, в качестве одной из марок известного цемента используют портландцементы типов ПЦТ I-50 или ПЦТ I-100. Полые алюмосиликатные микросферы получают гидросепарацией водной суспензии золы в золоотвальном водоеме, которые имеют размеры 40-100 мкм и насыпной вес 0,3-0,5 г/см³.

Недостатками данного легкого тампонажного материала является очень низкая прочность и устойчивость тампонажного камня.

Известен облегченный тампонажный раствор RU 2507380 С1 (Прототип 2) [2], высоководопотребное тонкомолотое вяжущее с удельной поверхностью 20000-25000 см²/г - «Микродур» или ИНТРАЦЕМ, легковесный наполнитель микросферы ПСМС, суперпластификатор С-3, нитрилотриметиленфосфоновую кислоту НТФ и воду. Использование тонкодисперсного вяжущего «Микродур» или «ИНТРАЦЕМ» позволяет в большем объеме связать воду затворения и уплотнить структуру камня и обеспечить его повышенную флюидоупорность и долговечность.

Недостатками данного легкого тампонажного материала является очень низкая прочность и устойчивость тампонажного камня, короткое время загустевания тампонажного раствора.

Технической задачей предлагаемого изобретения является получение тампонажного материала обладающего низкой плотностю тампонажного раствора с длительным временем загустевания при повышенных прочностных и адгезионных характеристиках цементного камня, с эффектом самозалечивания мелких трещин при контакте с пластовыми флюидами.

Техническая задача решается тем, что тампонажный раствор низкой плотности содержит вяжущее, легковесный наполнитель и воду, при этом он содержит вяжущее двух видов - тонкодисперсное минеральное вяжущее «MIKRODUR R-U» и ПЦТ I-G, а в качестве легковесного наполнителя - стеклянные полые микросферы марки 3М™ HGS4000, добавку «Пенетрон Адмикс», замедлитель сроков схватывания CR-221, понизитель водоотдачи CFL-160, пеногаситель D-air 5000, при следующих соотношениях компонентов, мас. %.:

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в тампонажном растворе низкой плотности используются вяжущие двух видов: портландцемент ПЦТ I-G и тонкодисперсное минеральное вяжущее «MIKRODUR R-U», а также легковесный наполнитель - стеклянные полые микросферы 3М™ HGS4000 из химически стойкого натрий-боросиликатного стекла и пенетрирующая добавка «Пенетрон Адмикс» [3], что позволяет повысить качество крепления боковых стволов в условиях повышенных рисков поглощений тампонажных растворов.

«MIKRODUR R-U» - это минеральное гидравлическое вяжущее на основе портландцемента с повышенной сульфатостойкостью и особо тонким (<9,5 мкм) составом. «MIKRODUR R-U» изначально предназначен для инъекционного закрепления проницаемых грунтов, бетонных и каменных конструкций. «MIKRODUR R-U» состоит из обычного цементного сырья, как, например, портландцементный клинкер, доменный шлак, регуляторы твердения и минеральные добавки.

ПЦТ I-G - это тампонажный портландцемент бездобавочный с нормированными требованиями при водоцементном отношении, равном 0,44.

Оптимальное содержание двух вяжущих ПЦТ I-G - 56,0% и MIKRODUR R-U - 30,0%; совместное их добавление с частицами вещества разного диаметра позволяет получить более прочный цементный камень.

Стеклянные полые микросферы 3М™ HGS4000 представляют собой специально разработанные полые сферы со средней абсолютной плотностью 380 кг/м³, предназначенные для снижения плотности буровых и тампонажных растворов, которые используются при добыче нефти и газа.

Идеальная сферическая форма микросфер производства компании ЗМ HGS4000 обеспечивает ряд полезных свойств, включая улучшение текучести и снижение вязкости смесей. Микросферы производятся из химически стойкого натрий-боросиликатного стекла, что делает их нерастворимыми в воде или углеводороде. Кроме того, они устойчивы к высоким давлениям более 27,6 МПа с типичным количеством целых микросфер более 90% после снятия нагрузки.

Оптимальное содержание легкого наполнителя HGS4000 - 14,0%, так как добавление микросфер менее 14% приводит к повышению плотности раствора. При увеличении содержания полых стеклянных микросфер более 14,0% снижается прочность цементного камня.

«Пенетрон Адмикс» (производства ООО «Пенетрон», г. Екатеринбург, выпускаемого по ТУ 5745-001-77921756-2006), в основном состоящий из монокальциевого алюмината СаО⋅Al₂O₃, диалюмината кальция СаО⋅2Al₂O₃, полугидрата гипса CaSO₄ 0,5Н₂O, клинкерных минералов C₃S и С₃А, а также Са(ОН)₂.

(см. Отчет о НИР «Состав продуктов твердения цементного камня до и после нанесения проникающей капиллярной смеси «Пенетрон» Екатеринбург: ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет - УПИ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», 2010 г., - 43 с.).

Указанная пенетрирующая добавка восстанавливает целостность цементного кольца в затрубном пространстве скважин при образовании в нем микротрещин и микрозазоров (при контакте цементного камня с водой). За счет равномерного распределения в толще цементного кольца частицы добавки «Пенетрон Адмикс», растворяясь в воде, вступают в реакцию с ионными комплексами кальция и алюминия, различными оксидами и солями металлов, содержащимися в цементе. В ходе этих реакций формируются более сложные соли, способные взаимодействовать с водой и создавать нерастворимые кристаллогидраты. Сеть этих кристаллов заполняет капилляры, микротрещины и микрозазоры. При этом кристаллы становятся составной частью структуры цементного кольца.

Заполненные нерастворимыми кристаллами капилляры, микротрещины и микрозазоры не пропускают воду, поскольку в действие приходят силы поверхностного натяжения жидкостей. Сеть объемных кристаллов, заполняющая капилляры, препятствует фильтрации через них воды, чем восстанавливает целостность цементного кольца.

Оптимальное содержание пенетрирующей добавки «Пенетрон Адмикс» - 2,0 сверх 100%. Добавление пенетрирующей добавки менее 2% не оказывает эффекта самовосстановления цементного камня. Увеличение содержания пенетрирующей добавки более 2,0% приводит к резкому загущению цементного раствора и снижению его времени загустевания.

Оптимальным содержанием основных реологических компонентов в заявляемом тампонажном растворе низкой плотности является: CR-221 - 0,3 сверх 100 мас. %, CFL-160-0,2 сверх 100 мас. %. При этом добавка замедлителя сроков схватывания цемента CR-221 (сульфо-метилированный лигнин) менее 0,3 мас. % значительно сокращает скорость загустевания, а увеличение добавки свыше 0,3 мас. % приводит к замедлению процесса схватывания и снижению прочности камня в первоначальный период. Содержание понизителя водоотдачи CFL-160 (порошок на основе модифицированных производных полисахаридов) менее 0,2 мас. % приводит к снижению стабильности раствора и к его расслаиванию, а содержание более 0,2 мас. % приводит к сильному загущению, т.е. раствор становится непрокачиваемым.

Пеногаситель (D-air 5000) - сухой порошок, вводится в тампонажную смесь в сухом виде, эффективно ликвидирует пенообразование в процессе затворения цементных растворов, оптимальное содержание 0,05 мас. %

Тампонажный раствор готовят следующим образом.

Приготавливают сухую смесь в заданном количественном соотношении из указанных: вяжущих двух видов, легковесного наполнителя, пенетрирующей добавки, понизителя водоотдачи и замедлителя сроков схватывания. Далее сухую смесь смешивают с водой. Тампонажно-технологические свойства полученного тампонажного раствора представлены в таблицах.

Как видно из таблицы 3, тампонажный раствор позволяет достичь поставленной цели: раствор обладает низкой плотностью при высоких прочностных характеристиках, удовлетворительной растекаемостью, отсутствует водоотделение, создаваемые в цементном камне искусственные каналы «залечиваются» при его контакте с водой.

Источники информации

1. Патент RU №2256774 С2.

2. Патент RU №2507380 С1.

3. Отчет о НИР «Состав продуктов твердения цементного камня до и после нанесения проникающей капиллярной смеси «Пенетрон» - Екатеринбург: ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет - УПИ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», 2010 г., - 43 с.