Тампонажный раствор

 

Сущность изобретения: раствор содержит компоненты, мае.ч.: тампонажный цемент 100; саморассыпающийся алюминиевый шлак - отход производства высоколегированного алюминия 1-6; соль поливалентного металла 0,5-10,0; вода 45-100. Отход содержит свободный алюминий, при взаимодействии которого с гидроксидом кальцин выделяется водород. В качестве соли используют медный купорос, сернокислое железо и др. Сухую смесь компонентов затворяют на водном растворе соли. Раствор обладает повышенной седиментационной и суффозионной устойчивостью. 2 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s Е 21 В 33/ t38

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4844509/03 (22) 27,05,90 (46) 15.02.93. Бюл. N 6 (71) Камский научно-исследовательский институт комплексных исследований глубоких и сверхглубоких скважин (72) Й.М. Курбанов, С.Э. Никашин и Н,Я. Калугина (56) Патент США М 4524828, кл. Е 21 В 33/138, 1985,,цанюшевский В. С. и др. Справочное руководство по тампонажным материалам.

М„Недра, 1987, с, 185.

Изобретение относится к глубокому бурению, в частности к тампонажным растворам, предназначенным для цементирования обсадных колонн нефтегазовых, геотермальных и специальных скважин в условиях нефтегазоводопроявлений и высоких температур, Известны тампонажные цементные растворы для крепления скважин, приготовлейные путем введения в тампонажный раствор оксида кальция. Указанные тампонажные растворы обладают несколько повышенной, по сравнению с бездобавочными, тампонирующей способностью, обусловленной расширением структуры цементного раствора.

Недостатком этих там понажных растворов является ускоренное твердение в условиях умеренных температур и связанное с этим интенсивное падение порового давления тампонажной суспензии. Кроме того, интенсивная гидратация части оксида кальция при повышенных температурах и пре„„Я2„„1795083 А1 (54) ТАМПОНАЖНЫЙ РАСТВОР (57) Сущность изобретения: раствор содержит компоненты, мас,ч,: тампонажный цемент

100; саморассыпающийся алюминиевый шлак — отход производства высоколегированного алюминия 1-6; соль поливалентного металла 0,5-10,0; вода 45-100. Отход содержит свободный алюминий, при взаимодействии которого с гидроксидом кальция выделяется водород, В качестве соли используют медный купорос, сернокислое железо и др. Сухую смесь компонентов затворяют на водном растворе соли. Раствор обладает повышенной седиментационной и суффозионной устойчивостью. 2 табл. вращение его в гидроксид кальция до начала процесса структурообразования не вызывает расширения тампонажного раствора.

Известны также тиксотропные цементные растворы, содержащие цемент, воду, титановое комплексообразующее соединение и водорастворимую смолу с поперечными связями. Указанные тампонажные составы обладают повышенными изоляционными характеристиками (тампонирующей способностью) f10 сравнению с известным тампонажным раствором.

Однако эти тампонажные составы также подвержены снижению порового давления в процессе твердения, а требуемое значение статического напряжения сднига (240 Па), при котором не начинается м»лграция пластового флюида в тампон,»»<»»»,»й расвор. достигается по истече»»ии з»<л»ительного времени после оконча»»ия»»родлеки цементного раствора в зэкA<»<.»» о : пространство, а вероятн<»ст» р.»:р;».»: »::.»

1795083 скелета тампонажного раствора высоконапорным пластовым флюидом, как известно, более высока в начальный период твердения тампонажной суспенэии.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности и достигаемому результату является тампонажный раствор включающий, мас.ч,: .. Тампонажный цемент 64,6.

Вода 32,3

Жидкое стекло 1,55

Хлористый натрий 1,29

Алюминиевый порошок 0,13

Данный тампонажный состав способен к расширению за счет выделения водорода.

Недостатком его является то, что процесс газовыделения сопровождается резкой потерей подвижности, что не дает возможности его использовать,для крепления скважин в условиях повышенных и высоких температур.

Цель изобретения — сохранение первоначального порового давления в период структурообразования тампонажного раствора во время ОЗЦ в условиях повышенных и высоких температур, а также повышение .его тампонирующей способности, Поставленная цель достигается тем, что тампонажный раствор содержит саморассыпающийся алюминиевый шлак (СРАШ), образующийся при выплавке высоколегированного алюминия, а в качестве добавки— гелеобраэующая соль поливалентного металла при следующем соотношении компонентов, мас.ч„

Тампонажный цемент 100

Саморассыпающийся алюминиевый шлак (СРАШ) 1 — 6

Соль поливалентного металла 0,5 — 10

Вода . .. 45 — 100

В качестве тампонажного материала используются тампонажный портландцемент, шлаковый цемент, а также различные тампонажные смеси на основе этих цементов.

В качестве алюминийсодержащего компонента используется саморассыпающийся алюминиевый шлак (СРАШ), образующийся при выплавке высоколегированного алюминия марки АК21М3Н при температуре 680—

900 С, В процессе охлаждения расплава на, воздухе образуется шлак темно-серого цвета достаточно высокой дисперсности, При нарушении технологии плавления в шлаке образуется хамовый металлический . алюминий, который легко подвергается дроблению и измельчению до необходимых размеров.

Средний химический состав СРАШ следующий, мас. (,:

А!20з 50,03

СаО 3,73

SI0z 16,95

МпО 0,109

П.П.П, 9,24

А1 мет 26,5

Mg0 9,21

10 К>0 7 15 йа20, 5,94

P20s 0,135

Плотность CPALU колеблется в пределах

2380 — 2500 кг/мз.

15 В качестве соли поливалентного металла используются хлориды, сульфаты, нитраты железа, цинка, меди, образующие нерастворимые вяэкоупругие гелевые системы в порах тампонажной суспензии в процессе

20 химической реакции с гидроксидом кальция, выделяющимся при гидролизе и гидратации минералов тампонажного цемента.

Совместное использование укаэанных компонентов в пределах указанных в

25 формуле изобретения способствует достижению целей изббретения. При этом предлагается следующий механизм воздействия йредложенных добавок, Длительное поддержание порового

30 давления и повышение тампонирующей способности цементной суспензии в эаколонном пространстве в период ОЗЦ достигается эа счет газообразного компонента, образующегося при воздействии гидрокси35 да кальция с алюминиевой частью СРАШ, суммарная реакция которого может быть представлена в следующем виде:

2AI+3Ca(0HQ+6H20 — > — > CagAl(OH )2+3Hz t

40 Образующийся в поровом пространстве тампонажного раствора гидроксоалюминат кальция CagAI(OH)e)z является труднорастворимым гелем, устойчивым в щелочной среде. За счет кольматизации порогового

45 пространства вязкоупругим гелем гидроксоалюмината кальция снижаются фильтрационные характеристики тампонажной суспензии, тем самым достигается повышение коэффициента тампонирующей способности.

Кроме того, значительное повышение тампонирующей способности происходит за счет объемного расширения структуры тампонажного теста в результате гидратации оксида магния, содержащегося в СРАШ.

55 Особенно заметно этот эффект проявляется при высоких температурах.

Роль солевой добавки заключается в придании вязко-упругих,. тиксотропных свойств тампонажной суспензии с целью

"самозалечивания" каналов, образующихся

1795083

100

1 — 6

0,5 — 10,0

45-100 при выделении газообразного агента. Помимо этого добавки солей поливалентных металлов регулируют скорость загустевания и схватывания тампонажных суспензий, т.е. регулируют время начала реакции

CPALLI с компонентами гидратации цемента, Результаты сравнительных испытаний представлены в табл. 1 и 2.

Приготовление тампонажного раствора осуществляется следующим образом.

Пример. Требуется приготовить тампонажный раствор из ПЦТ вЂ” Д50 — 100 с повышенной седиментационной и суффозионной устойчивостью (повышенным коэффициентом тампонирующей способности) для цементирования скважины с забойной температурой 90 С и К =1,5. Время загусиевания раствора не менее 2 ч 40 мин. Для приготовления указан ного тампонажного раствора 100 мас.ч, тампонажного цемента смешивают с 4 мас,ч, СРАШ до полной гомогенизации смеси. Полученную смесь затаоряют на жидкости, в которую предварительно введен 1,5 мас,ч; медного купороса при B/C=0,5.

Аналогичным образом готовятся тампонажные составы с другими цементными матерИалами и добавками для различных условий цементирования, Состава и свойства приведен в табл. 1 и

2 соответственно.

Пределы содерджания СРАШ и гелеобразующих компонентов (соли поливалентных металлов) выбраны из следующих соображений. При содержании указанных компонентов менее 1 и 0,5 мас,ч. соответстФормула изобретения

Тампонажный раствор, включающий тамгтонажный цемент, алюминийсодержащий компонент, добавку, и воду, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью сохранения поротого давления в период структурообраэования раствора и твердения камня при одноВременном повышении тампонирующей способности, он содержит в качестве алюМинийсодержащего компонента саморассыпающийся алюминиевый шлак — отход производства высоколегированного алюмивенно наблюдается снижение первонаального порового давления, а тампонирующая способность невелика. При увеличении содержания компонентов более 6 и 10 мас,ч, 5 ухудшаются технологические свойства тампонажного раствора (растекаемость, реологические свойства и др.), а коэффициент тампонирующей способности практически не изменяется.

10 Состав разработанного тампонажного раствора подобран таким образом, что позволяет сохранить и поддержать первоначальное паровое давление в процессе ОЗЦ до завершения формирования прочной

15 структуры цементной суспензии, Кроме того, газовыделение, которое начинается после продавки цементного раствора в затрубное пространство препятствует возникновению суффозионных каналов, обра20 зующихся под действием фильтрационных потоков вследствие снижения порового давления, Имеющиеся в составе тампонажного раствора соли поливалентного металла в результате взаимодействия с вяжущим, обра25 зует вязкоупругую, тиксотропную гель, придающую ему способность "самоэалечивать" суффозионные каналы, если они по каким либо причинам образуются, Все вышеуказанное спосогбствует поЗО. вышению изоляционных характеристик тампонажного раствора (седиментационной и суффозионной устойчивости, коэффициента тампонирующей способности), Применение разработанного тампо35 нажного раствора позволит повысить качество крепления скважин, увеличить межремонтный период работы скважин. ния, а в качестве добавки — соль поливалентного металла при следующем соотношении компонентов, мас,ч:

Тампонажный цемент

Саморассыпающийся алюминиевый шлак — отход производства высоколегированного алюминия

Соль поливалентного металла

Вода

1795083

Таблица 1

Компонент

Со е жение компонентов, мзс.ч., e составах

1 (прот

12

Твмпонзжный цемент

I 00

ШПЦС I 20

100

ПТЦД50

1 00

ПТЦД20

100

ШПТЦ200

100

ПТЦД20

100 100

ПТЦ- ШПЦСД20 200

ПТЦД20

100

ШПЦС200

t00

ПТЦД20

Алюминиевый порошок

Саморассыпающнйсл алюминиевый шлак

Соль полнвалентного металла

Вода

Хлорнстый натрий

Ж кое стекло

0,13

4 6

10 5

Реэ!ЗОлтэ 2л5 04

100 50

1.5

CuSO

0.5

CuSge

2.5

CuSO4

0.7

0,3

РейчОзЬ

0,4

ЕпЗОе

3

FeCIg

6.5

0.5

СиЗОк

6.5

11

ZnCI!

4

12

СиЗОе

32.3

1.29

155

Таблица 2

Водоотделе» ние,,6

ТемпеРасширение, Давле ние.

МПа

Сроки схватывание. ч-мин

Време загусткванил, ч-ммн

Относительное поровое давление

Коэф — т тампон. способности

Плот- РзстеСостав ра, С ность, каем.. кг/и см конец комеч- начало ное начальное чет

18-20

1820

П р н и е ч а и н е. Коэффициент тзмпонмрующей способности и относмтельное пороаое давление ооределлли по методике Соловьева-Геранмна.

Составитель Я. Курбанов

Техред М,Моргентал Корректор Н. Милюкова

Редактор Т. Иванова

Заказ 413 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

2

4

6

8

I8ZO

1 750

1680

12-14 l9

18

t9.5

19.

19

21

19

Не те1.35

1.65

1,7

1.65

1.2

1.3

1.7

1.6

1.7

1.25

1.8

1.82

1.82

1.75

1,8

t,75

1. 66

1,52

1,74

1.86

1.2

1,82

1,82

1,75

1;2

l.0

l.об

1.52

1.74

1.2

0-40

2-10

3-20

3-20

3-00

1-05

3-15

3-40

3-55

0-%

15-ГТ

1-20

3-30

3-40

3-35

Э-10

1-15

3-40

4-00

4-20

1-20

0-50

3-15

3-.20

3-30

3-05

1-05

3-20

3-55

1-00

22

120

0

20

Прочность цемент нл при иэпгбе, МПэ

0.9

3.1

4.8

5.9

3.6

4,1

2.5

2,8

6,2

2.0

18

1,0

10,2

IЭ.6

2,8

0.5

0

4.5

0

0