Результат интеллектуальной деятельности: ТАМПОНАЖНЫЙ СОСТАВ ДЛЯ УСТАНОВКИ ЗАРЕЗНЫХ ОПОРНЫХ МОСТОВ

Изобретение относится к области нефтедобычи, в частности к строительству и ремонту скважин, при забуривании второго ствола с большим углом проложения, в том числе с траекторией, приближенной к горизонтальной. Обеспечивает в этих условиях повышение надежности зарезки нового ствола при ликвидации аварий, связанных с невозможностью извлечения оставленного на забое инструмента, в результате чего производится перебуривание основного ствола.

В отечественной практике при установке цементных мостов обычно применяют серийные тампонажные материалы, предназначенные для крепления обсадных колонн. При этом в большинстве случаев не учитываются особые требования, связанные со спецификой работ по установке зарезных опорных цементных мостов. В частности, особенности характерные при забуривании новых стволов из горизонтальных скважин или скважин, имеющих большой угол проложения, обусловливают необходимость применения таких материалов, которые обеспечивали бы высокую механическую прочность цементного камня, сравнимую с прочностью горных пород, в интервале которых производится зарезка.

Из числа известных составов, предназначенных именно для установки цементных мостов, можно указать расширяющийся тампонажный материал по заявке РФ №2005122807 и тампонажный раствор по заявке РФ №97111468, оба из которых содержат цемент, пластификаторы и воду. Однако оба известных состава не обеспечивают достаточную прочность образующегося цементного камня по отношению к прочности разбуриваемой породы, что при зарезке может привести к попаданию в старый ствол, а это в свою очередь приведет к потере времени и средств на перебуриваие или переустановку цементного моста.

Известен способ герметизации трубного и заколонного пространства (Патент РФ №2223386), в котором в качестве тампонажного раствора используется смесь цемента с особо тонкодисперсной минеральной вяжущей добавкой типа «Микродур» в виде водной суспензии для укрепления и уплотнения места герметизации тампонажным раствором. Однако указанный состав характеризуется недостаточно высокими прочностными свойствами.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является тампонажный раствор (Патент РФ №2299230), предназначенный для формирования изоляционных цементных мостов и содержащий, мас.%: Микродур 10-30; хлорид кальция 20-50; сульфат алюминия 0,5-3,0; нитрилотрифосфоновую кислоту НТФ 0,0-0,2 и воду - остальное. Известный раствор обеспечивает создание флюидонепроницаемого изоляционного моста - флюидоупорного экрана.

Наряду с указанными преимуществами, известный тампонажный раствор имеет следующие недостатки:

- низкая прочность цементного камня;

- наличие водоотделения.

Технический результат, достигаемый предлагаемым изобретением, заключается в повышении прочности образующегося цементного камня, до прочности сравнимой и превышающей прочность пород, в которых установлен зарезной опорный мост, при одновременном обеспечении прокачиваемости и достижении оптимальных сроков твердения при низком водоцементном отношении.

Указанный технический результат обеспечивается предлагаемым тампонажным составом для установки зарезных опорных мостов, содержащим Микродур, ускоритель сроков схватывания, добавку и воду, при этом согласно изобретению состав дополнительно содержит портландцемент, в качестве добавки - пластификатор-поликарбоксилат Melflux F и пеногаситель - Полицем ДФ, а в качестве ускорителя сроков схватывания полиоксихлорид алюминия и хлорид кальция при их массовом соотношении 1:4, при этом все компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%:

Основная техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в повышении качества цементного камня. Надежность успешной зарезки нового ствола обеспечивает высокая прочность цементного моста, когда прочностные характеристики цементного камня превышают прочностные свойства горных пород, в интервале которых установлен мост. Достижение указанного технического результата обеспечивается за счет максимально возможного снижения водоцементного отношения за счет включения в предлагаемый тампонажный состав определенных компонентов в заявленном количественном соотношении. В результате чего структурно-реологические свойства предлагаемого тампонажного состава позволяют произвести его затворение, закачать его в скважину, осуществить продавку состава в нужный интервал и удалить излишки закаченного в скважину состава. Сформированный в результате гидратации цементный камень обеспечивает прочностные свойства, позволяющие произвести забуривание нового ствола с большим углом проложения, не требующее дополнительных временных затрат. Высокие прочностные свойства цементного камня, полученные на ранней стадии твердения, позволят сократить период ожидания затвердевания цемента (ОЗЦ). Уже через 16 час цементный камень, образованный из предлагаемого состава, имеет достаточно высокие прочностные показатели. Период ОЗЦ может быть сокращен при достижении цементным камнем необходимого (соответствующего горным породам) предела прочности. Образующийся цементный камень обеспечивает герметичную изоляцию оставленного в результате аварии ствола скважины.

С целью увеличения прочностных свойств цементного камня нужно стремиться к пониженному водоцементному отношению. Максимально снизить водоцементное отношение в предлагаемом составе удалось за счет введения суперпластифицирующей добавки - поликарбоксилата Melflux F, механизм действия которого, в отличие от обычных пластификаторов, обеспечивается за счет электростатического и стерического эффектов и позволяет получить необходимую подвижность тампонажного состава не только в процессе затворения, но и в процессе закачки и продавки его в интервал установки моста.

Добавка в цементный раствор пластификатора позволяет максимально снизить содержание водной фазы в цементном растворе, при этом количество воды в растворе остается достаточным для гидратации цемента и формирования качественного цементного камня.

Добавка поликарбоксилата не оказывает значительно замедляющего эффекта при схватывании тампонажного состава, но улучшает прочностные свойства цементного камня за счет диспергирующего действия, которое способствует уплотнению структуры цементного камня за счет более плотной упаковки частиц цемента, не требуется большого количества добавки для получения максимального эффекта пластификации.

Добавка в тампонажный состав тонкодисперсного вяжущего типа Микродур R-X также оказывает влияние на прочностные свойства цементного камня. Диаметр зерен Микродур в 6-1.0 раз меньше частиц самого цементного клинкера. Благодаря малому размеру (диаметр зерен <6-10 мкм) частиц и плавно подобранному гранулометрическому составу суспензия Микродура обладает текучестью, сравнимой с текучестью воды, даже при минимальном В/Ц. Микродур является порошком со специально подобранным минеральным и гранулометрическим составом. Это обеспечивает высокую водоудерживающую способность (В/Ц одного Микродура до 6,0) и реологические характеристики, соизмеримые с характеристиками воды. За счет этих свойств добавка Микродура в предлагаемый тампонажный состав позволяет обеспечить необходимые реологические характеристики тампонажного состава, не увеличивая при этом водоцементное отношение.

Совместное введение Микродур с цементом в предлагаемом составе позволяет изменить структуру формирующегося цементного камня за счет более плотной упаковки частиц в пространстве. Имея меньшие, чем цемент, частицы Микродур заполняет межпоровое пространство и является в цементном камне упрочняющим материалом. Пластификатор поликарбоксилат, используемый в тампонажном составе, повышает дисперсность, позволяя более эффективно использовать разноразмерность частиц, максимально уплотняя формирующуюся структуру цементного камня. «Микродур» является однородным с цементом материалом, так же как цемент участвует в гидратационных процессах, формируя в цементном камне прочные связи за счет гидратных образований, в результате чего снижается проницаемость цементного камня и повышается прочность и долговечность.

Добавка ускорителя сроков схватывания позволяет сократить сроки схватывания состава и повысить прочностные свойства цементного камня на ранней стадии твердения.

В качестве ускорителя сроков схватывания в предлагаемом тампонажном составе используется комплексная добавка, состоящая из двух реагентов, каждый из которых является ускорителем схватывания - это полиоксихлорид алюминия и хлорид кальция, взятых в массовом соотношении 1:4. Кроме своей основной функции - ускорителя сроков схватывания, указанная смесь, по-видимому, будет являться структурирующей добавкой, придающей тампонажному составу стабильность, а цементному камню однородность в структуре, что повышает его прочность. Причем исследования показали, что достижение поставленного технического результата в условиях нормальных температур (20-50°С) возможно только за счет совместного применения поликарбоксилата и смеси указанных ускорителей схватывания в заявленном соотношении.

Введение в тампонажный состав дополнительно пеногасителя позволяет исключить пенообразование в цементном растворе, которое в результате может привести к формированию пористого цементного камня и, как следствие, снижению его прочности.

Благодаря указанным свойствам заявляемого тампонажного состава обеспечивается в промысловых условиях сокращение осложнений при забуривании вторых стволов и сокращение временных затрат при этом.

Предлагаемый тампонажный состав был испытан в лабораторных условиях. Для его приготовления были использованы следующие вещества портландцемент ГОСТ 1581-96; вода техническая с жесткостью не более 5 мг-экв/л; пластификатор поликарбоксилат Melflux F, производитель Degussa Constraction Polymers (SKW Trostberg, Германия); химический состав - порошковый продукт, полученный методом распылительной сушки на основе модифицированного полиэфиркарбоксилата. Технические данные: форма - желтоватый порошок; насыпная плотность 400-600 г/л; потери при нагревании - макс.2,0 мас.%; 20% раствор при 20°С имеет рН 6,5-8,5. Особенности: высокоэффективный диспергатор; снижает усадку; эффективен в широком диапазоне температур;

«Микродур R-X» - особо тонкодисперсное минеральное вяжущее вещество с гарантированно плавным изменением гранулометрического состава. «Микродур» производится посредством воздушной сепарации пыли при помоле цементного клинкера. Технология изготовления «Микродур R-X» разработана и освоена специалистами фирмы «INTRA-BAVGmbH» совместно со специалистами концерна «Dyckerhoff» (г.Висбаден, Германия и защищена Европейским патентом);

ускоритель сроков схватывания:

хлорид кальция ТУ 2123-020-53501222-2001;

полиоксихлорид алюминия - «аква-аурат 30» ТУ 6-09-05-1456-96;

пеногаситель Полицем ДФ - модифицированный кремнеорганический реагент, по ТУ 2228-010-40912231-2003.

Пример приготовления предлагаемого тампонажного состава. 1000 г портландцемента смешивали с 100 г Микродур, 2 г Melflux F, 2 г пеногасителя Полицем ДФ в сухом виде. Для приготовления жидкости затворения брали 363 г воды, в которой растворяли 27,6 г хлористого кальция и 6,9 г полиоксихлорида алюминия. Затем затворяли полученную тампонажную смесь приготовленной жидкостью затворения. При этом получили тампонажный состав со следующим соотношением компонентов, мас.%: портландцемент 66,6; микродур 6,7; melflux F 0,1; полицем ДФ 0,1; полиоксихлорид алюминия 0,46; хлорид кальция 1,84; вода 24,2.

Характеристики приготовленного тампонажного раствора и цементного камня на соответствие ГОСТ 1581-961581-96 определялись методами испытаний по ГОСТ 26798.1-96 и ГОСТ 26798.2-96.

Растекаемость определялась по конусу АзНИИ, плотность - пикнометром, коэффициент водоотделения в мерном цилиндре, сроки схватывания иглой Вика, время загустевания на консистометре Chandler, пределы прочности тампонажного камня на изгиб на Мультитестере; пределы прочности на сжатие на автоматизированном прессе (OFITE). В качестве горных пород использовали породы, приуроченные к известнякам окского и верейского горизонтов.

Данные о компонентном содержании исследованных тампонажных составов приведены в таблице 1, а данные о свойствах тампонажных составов и тампонажного камня - в таблице 2.

Предел прочности при сжатии, полученный при испытании кернового материала на прочность по ГОСТ 26798.2-96 для известняков окского горизонта, составляет 18,9МПа и 20,7МПа - для верейского горизонта.

Данные, приведенные в таблицах 1 и 2, показывают, что предлагаемый тампонажный состав имеет следующие преимущества перед известными:

- высокие прочностные свойства;

- высокие адгезионные свойства цементного камня, косвенно характеризующиеся усилием сдвига;

- сокращение времени ОЗЦ за счет того, что прочностные свойства тампонажного камня сравнимы с прочностью горных пород в интервале зарезки и могут быть получены уже через 24 ч;

- приемлемые сроки схватывания, обеспечивающие доставку тампонажного состава в интервал установки цементного моста.

Благодаря указанным преимуществам при использовании предлагаемого тампонажного состава в промысловых условиях обеспечивается успешная зарезка нового ствола, сокращаются затраты на перебуривание скважины и переустановку зарезного опорного моста.