Результат интеллектуальной деятельности: Тампонажная смесь

Изобретение относится к области цементирования обсадных колонн в нефтяных, газовых и газоконденсатных скважинах, вскрывающих пласты с полиминеральными водами высокой степени минерализации. Может быть также использовано для цементирования колонн в одну ступень одним составом в терригенных отложениях при наличии пресных или слабоминерализованных вод, в интервалах карбонатно-галогенных отложений, установки изоляционных цементных мостов.

Известен тампонажный раствор, предназначенный для крепления обсадных колонн в процессе строительства скважин, установки изоляционных и ликвидационных мостов и ликвидации скважин в условиях сероводородной агрессии и аномально-высоких пластовых давлений при температуре до 120°C, содержащий: портландцемент - 60-30; «Микродур-261R-Х - 2-4; суперпластификатор С-3 - 0,3-1; нитрилотриметиленфосфоновая кислота - 0,05-0,2; этилсиликат - 1,4-2,3; сульфанол - 0,25-0,5; баритовый концентрат или кварцевый песок - 5-35; жидкость затворения - 30-25 [RU 2471843 С1, МПК С09К 8/467, опубл. 10.01.2013]. Тампонажный раствор позволяет формировать стойкий к сероводородной агрессии камень с необходимыми прочностными характеристиками при умеренных и повышенных температурах.

Недостатками известного тампонажного раствора являются его высокая плотность и невозможность применения в условиях нормальных и низких положительных температур.

Известна тампонажная смесь, предназначенная для цементирования скважин и ликвидации зон поглощения в нефтяной и газовой промышленности, а также при бурении скважин при геологоразведочных работах на угольных месторождениях, содержащая, мас. %: портландцемент - 30-50; золу-унос - 25-50; шлам отхода обогащения антрацита - 20-35 [RU 2186198 С1, МПК Е21В 33/138, опубл. 27.07.2002]. Тампонажная смесь характеризуется низкой плотностью тампонажного раствора, обеспечивает достаточные прочностные свойства цементного камня, коррозионную стойкость камня при выдерживании в среде насыщенного раствора хлористого кальция.

Недостатком известной смеси является низкая ранняя прочность цементного камня и недостаточная стойкость его к коррозионному действию более сложных по составу солевых растворов (полиминеральных пластовых вод).

Известен тампонажный состав, предназначенный для цементирования скважин с нормальными и умеренными температурами, содержащий, мас. ч.: портландцемент тампонажный - 80-120; золу-уноса - 80-120; асбест - 2-3; минеральную соль - 1,0-1,5; вода - 120 [RU 2013525 С1, МПК Е21В 33/138, опубл. 30.05.1994]. Тампонажный состав характеризуется деформирующими свойствами при одновременном повышении прочности цементного камня и сцеплении его с обсадной колонной.

Недостатками известного состава являются низкие значения растекаемости раствора и ранней прочности камня при нормальных температурах, недостаточная стойкость к коррозионному воздействию полиминеральных пластовых вод высокой степени минерализации. Совокупность указанных недостатков не позволяет обеспечить надежное и долговечное разобщение пластов применительно к условиям месторождений Восточной Сибири, для которых характерно наличие указанных типов пластовых вод в горизонтах с низкими положительными и нормальными температурами.

Известна цементная тампонажная облегченную смесь, содержащая, мас. %: портландцемент тампонажный 65,9-69,5; водорастворимый полимер 0,1-0,5; комплексную минеральную добавку - КМД-СО, следующего химического состава, мас. %: SiO₂ 55,0-70,0; Al₂O₃ 16,0-25,0; Fe₂O₃ 1,0-4,0; СаО 10,0-20,0; MgO 0,1-3,5; Na₂O 0,1-1,4; K₂O 0,2-3,5; TiO₂ 0,6-1,5 с размером частиц не более 500 мкм - остальное [RU 2399643 С1, МПК С09К 8/467 (2006.01), опубл. 20.09.2010].

К недостаткам известной тампонажной смеси относится низкая плотность и недостаточная стойкость к коррозионному воздействию полиминеральных пластовых вод высокой степени минерализации.

При разработке изобретения решение технической проблемы - повышение качества цементирования обсадных колонн в скважинах, вскрывающих пласты с полиминеральными водами высокой степени минерализации, обеспечивается за счет создания тампонажной смеси, при этом достигается технический результат, заключающийся в том, что приготовленный раствор имеет плотность 1700±20 кг/м³, обладает высокой растекаемостью и способностью формирования камня повышенной прочности, стойкий к коррозионному воздействию полиминеральных пластовых вод высокой степени минерализации при низких положительных и нормальных температурах.

Сущность изобретения как технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для решения указанной технической проблемы и получения обеспечиваемого при использовании изобретения технического результата. Тампонажная смесь содержит портландцемент тампонажный ПТЦ I-50, комплексную минеральную добавку КМД-Н следующего химического состава (%):

SiO₂ (60,7-60,8), Al₂O₃ (27,9-27,93), Fe₂O₃+FeO (4,5-5,12), K₂O (0,24-0,4), Na₂O (0,23-0,85), CaO (2,2-2,4), MgO (0,74-1,0), п.п.п (1,72-2,04), ультрацемент-10, ускоритель сроков схватывания, представляющий собой хлорид натрия или хлорид кальция, а также разжижающий реагент на основе полимеламинсульфоната натрия, при следующем соотношении компонентов, мас. %: портландцемент тампонажный ПТЦ I-50 33,30 - 43,67; комплексная минеральная добавка КМД-Н 47,56-49,95; ультрацемент-10 3,96-13,72; ускоритель сроков схватывания 2,91-4,76; разжижающий реагент 0,05-0,12.

Комплексная минеральная добавка КМД-Н является облегчающим и активным минеральным компонентом в смеси. Благодаря высокой дисперсности ультрацемента-10 ускоряются гидратационные процессы, что в свою очередь интенсифицирует дополнительную кристаллизацию новообразований при взаимодействии части продуктов гидратации с комплексной минеральной добавкой и обеспечивает получение прочного цементного камня при низких и нормальных температурах.

Наличие ускорителя сроков схватывания в виде хлорида натрия или хлорида кальция усиливает гидратацию ультрацемента и портландцемента в начальный период твердения и способствует ускорению формирования камня, быстрому набору прочности.

Ввод разжижающего реагента на основе полимеламинсульфоната натрия в тампонажную смесь позволяет повысить растекаемость приготавливаемого раствора и, в сочетании с ультрацементом-10 и ускорителем, обеспечивает образование низкопроницаемой структуры камня за счет более плотной упаковки твердой фазы и продуктов кристаллизации, что исключает проникновение агрессивных пластовых вод и разрушение камня.

Благодаря взаимному влиянию компонентов и проявлению синергетического эффекта, предлагаемая тампонажная смесь позволяет приготавливать тампонажный раствор с плотностью 1700±20 кг/м³, обладающий высокой растекаемостью и способный формировать камень повышенной прочности, стойкий к коррозионному воздействию полиминеральных пластовых вод высокой степени минерализации при низких положительных и нормальных температурах и решить техническую проблему повышения качества цементирования обсадных колонн.

Для приготовления предлагаемой тампонажной смеси использованы следующие компоненты:

- портландцемент тампонажный бездобавочный, предназначенный для низких и нормальных температур ПЦТ 1-50 ГОСТ 1581-96;

- комплексная минеральная добавка КМД-Н по ТУ 5712-011-80338612-2008, представляющая собой тонко дисперсионную смесь по химическому составу, в (%): SiO₂ (60,7-60,8), Al₂O₃ (27,9-27,93), Fe₂O₃+FeO (4,5-5,12), K₂O (0,24-0,4), Na₂O (0,23-0,85), CaO (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 водоцементным соотношением;

- ультрацемент-10 (ТУ 5739-019-56864391-2010, производитель ЗАО «Полицелл») представляет собой цемент тонкого измельчения с размером частиц от 0,2 до 15 мкм, при среднем значении 4-5 мкм;

- в качестве ускорителя сроков схватывания использованы хлорид натрия по ГОСТ 4233-77 или хлорид кальция по ГОСТ 450-77;

- в качестве разжижающего реагента использован продукт на основе полимеламинсульфоната натрия, например, суперпластификатор Мелмент, Изола ФМ-86, Конпласт Ml, NTPF-17 и др.

Основные технологические свойства раствора и камня определялись в соответствии с ГОСТ 26798.1-96 «Цементы тампонажные. Методы испытаний».

Для оценки коррозионной стойкости тампонажного камня к воздействию полиминеральной пластовой воды, кубики помещались в модель пластовой воды Чаяндинского месторождения и хранились при температуре 12±2°C в шкафу холодильном в течение 30 сут. По истечении 30 сут определялся предел прочности камня при сжатии и полученные значения сопоставлялись с исходными. Модель пластовой воды, плотностью 1,27-1,28 г/см³, представляла собой раствор хлоридов кальция (234,0 г/л), натрия (68,4 г/л), магния (51,8 г/л) и калия (2,5 г/л), соответствующий по составу полиминеральным пластовым водам месторождений Восточной Сибири.

Тампонажная смесь приготавливалась следующим образом. Вначале в заданных соотношениях смешивались сухие компоненты, полученный материал тщательно перемешивался вручную для гомогенизации. Затем производилось затворение материала технической 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 1, состав 7) необходимо 38,06 мас. % ПЦТ 1-50; 47,57 мас. % комплексной минеральной добавки КМД-Н; 9,51 мас. % ультрацемента-10; 4,76 мас % хлористого натрия; 0,10 мас % разжижающего реагента перемешать до получения гомогенного состава. Далее из полученной тампонажной смеси приготавливают тампонажный раствор путем затворения смеси технической водой при водосмесевом отношении 0,47. После перемешивания в течение трех минут определяют плотность (г/см³), растекаемость (мм), водоотделение (мл) полученного раствора. Оставшуюся часть раствора смеси заливают в формы-балочки для определения предела прочности камня (МПа) при изгибе и сжатии, хранят при температуре 22°C в течение 48 часов. Следующую порцию затворенного раствора (предназначенного для хранения в модели пластовой воды с целью оценки его стойкости к коррозии) заливают в формы кубики и хранят при температуре 22°C в течение 48 часов. Далее кубики погружают в эксикаторы с моделью пластовой воды и хранят в течение 30 сут при температуре 12±2°C.

Приготовленный раствор имеет плотность 1,70 г/см³, растекаемость 250 мм, водоотделение 0,8 мл, предел прочности камня при изгибе составляет 3,9 МПа и при сжатии 11,7 МПа. По истечению 30 суток хранения образцов кубиков в модели пластовой воды предел прочности камня при сжатии составил 15,8 МПа, деформация поверхности, разрушение граней или наличие трещин на образцах кубиков отсутствовали.

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

В примерах 6, 7, 10, 13 использовали КМД-Н (%) следующего состава: SiO₂ - 60,8, Al₂O₃ - 27,9, Fe₂O₃+FeO - 5,12, K₂O - 0,4, Na₂O - 0,76, CaO - 2,3, MgO - 1,0, п.п.п. - 1,72;

в примерах 1, 4, 11 использовали КМД-Н (%) следующего состава: SiO₂ - 60,8, Al₂O₃ - 27,93, Fe₂O₃+FeO - 5,12, K₂O - 0,4, Na₂O - 0,31, CaO - 2,4, MgO - 1,0, п.п.п. - 2,04;

в примерах 2, 3, 5, 12 использовали КМД-Н (%) следующего состава: SiO₂ - 60,7, Al₂O₃ - 27,9, Fe₂O₃+FeO - 5,12, K₂O - 0,24, Na₂O - 0,80, CaO - 2,2, MgO - 1,0, п.п.п. - 2.04.

в примерах 9 использовали КМД-Н (%) следующего состава: SiO₂ - 60,8, Al₂O₃ - 27,93, Fe₂O₃+FeO - 4,58, K₂O - 0,4, Na₂O -0,85, CaO -2,4, MgO - 1,0, п.п.п. - 2,04;

в примеры 8, 14, 15 использовали КМД-Н (%) следующего состава: SiO₂ - 60,7, Al₂O₃ - 27,9, Fe₂O₃+FeO - 5,12, K₂O - 0,24, Na₂O - 0,80, CaO - 2,2, MgO - 1,0, п.п.п. - 2.04.

В составах с запредельными значениями использовали:

в примерах 21, 22, 23 КМД-Н (%) следующего состава: SiO₂ - 61,0, Al₂O₃ - 26,8, Fe₂O₃+FeO - 5,3, K₂O - 0,1, Na₂O - 0,09, CaO - 2,1, MgO - 0,6, п.п.п. - 3,2;

в примерах 16, 17, 20 КМД-Н (%) следующего состава: SiO₂ - 60,0, Al₂O₃ - 29,5, Fe₂O₃+FeO - 4,03, K₂O - 0,55, Na₂O - 0,1, СаО - 2,8, MgO - 1,8, п.п.п. - 1,25;

в примерах 18, 19 КМД-Н (%) следующего состава: SiO₂ - 60,2, Al₂O₃ - 28,4, Fe₂O₃+FeO - 4, 3, K₂O - 0,58, Na₂O - 0,82, CaO - 3,0, MgO - 1,2, п.п.п. - 1, 5.

Для выявления отличительных признаков и заявляемого технического результата изменяли массовые соотношения компонентов. В случае запредельных соотношений компонентов смеси, приготавливаемые растворы характеризуются ухудшением физико-механических свойств, в частности, неприемлемыми низкими значениями прочности камня, неудовлетворительной растекаемостью растворов (минимальное значение 173 мм), повышенным водоотделением растворов (запредельные значения 7,5 мл) при высокой растекаемости и недостаточной стойкостью камня к коррозионному воздействию полиминеральной пластовой воды высокой степени минерализации.

Как видно из таблицы, заявляемая тампонажная смесь, включающая портландцемент тампонажный, комплексную минеральную добавку, ультрацемент-10 и в качестве добавок содержащая ускоритель сроков схватывания хлористый натрий или хлористый кальций и разжижающий реагент - продукт на основе полимеламинсульфоната натрия, при указанном соотношении компонентов характеризуется повышенной растекаемостью раствора и прочностью камня в диапазоне низких и нормальных температур, коррозионной стойкостью камня к коррозионному воздействию полиминеральной пластовой воды высокой степени минерализации.

Таким образом, заявляемая тампонажная смесь позволит повысить качество цементирования обсадных колонн и долговечность работы скважин в условиях наличия агрессивных пластовых вод с высокой степенью минерализации.