Тампонажный раствор для крепления скважин

 

Использование: изобретение относится к бурению нефтяных и газовых скважин, а именно к тампонажным растворам для крепления скважин. Сущность изобретения: тампонажный раствор содержит тампонажный портландцемент, активную добавку - золу-унос и жидкость затворения при следующем соотношении компонентов, мас. ч. : тампонажный портландцемент - 24,6 - 52,82, зола-унос с содержанием двуокиси кремния не менее 30 мас.% - 17,6 - 47,82, жидкость затворения - до получения растекаемости тампонажного раствора не менее 18 см по конусу АзНИИ. Технический результат - повышение ранней прочности цементного камня. 2 з.п. ф-лы, 3 табл.

Изобретение относится к бурению нефтяных и газовых скважин, а именно к тампонажным растворам для крепления скважин.

Известны тампонажные растворы, содержащие портландцемент и золу-унос различных твердых топлив [1].

Однако известные тампонажные растворы, как правило, используют в качестве облегченных тампонажных материалов и их прочностные показатели невысоки.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому тампонажному раствору является тампонажный раствор, содержащий, мас. %: тампонажный портландцемент - 29,2 - 41,96, золу-унос гранулированную с влажностью 10-20% - 27,97 - 43-80 и воду - остальное [2].

Недостатками известного тампонажного раствора являются низкая ранняя прочность цементного камня в диапазоне температур 20-140^oC и дополнительные энергетические затраты на измельчение гранулированной золы.

Задачей настоящего изобретения является повышение ранней прочности цементного камня за счет снижения водосмесевого отношения.

Сущность настоящего изобретения заключается в том, что известный тампонажный раствор, содержащий тампонажный портландцемент, активную добавку - золу-унос и жидкость затворения, согласно изобретения, содержит активную добавку - золу-унос с содержанием двуокиси кремния не менее 30 мас.%, при следующем соотношении компонентов, мас.%: Тампонажный портландцемент - 24,64-52,82 Зола-унос с содержанием двуокиси кремния не менее 30 мас.% - 17,60-47,82 Жидкость затворения - до получения растекаемости тампонажного раствора не менее 18 см по конусу АзНИИ Причем в качестве жидкости затворения он содержит техническую или пластовую воду.

Кроме того, в качестве жидкости затворения он содержит водный раствор пластификатора и/или регулятора сроков схватывания тампонажного раствора.

При приготовлении тампонажного раствора для крепления скважин используют золу-унос Новочеркасской ГРЭС (ГОСТ 25-818-91), имеющую следующий химический состав, мас.%: SiO₂ - 53,20 Al₂O₃ - 16,96 Fe₂O₃ - 0,89 CaO - 2,69 MgO - 0,98
SO₃ - 0,14
Окислы щелочных металлов - 2,97
Прочие - 0,61
Активным компонентом в золе-уносе ГРЭС является двуокись кремния, которая способствует образованию силикатов кальция и алюминия, придает цементу гидравлические свойства, т. е. способность затвердевать и длительное время работать в водной среде. С увеличением содержания двуокиси кремния повышается ранняя прочность цементного камня.

Зола-унос ГРЭС содержит значительное количество мелкозернистой массы, что придает раствору пластические свойства.

С увеличением в тампонажном растворе содержания золы-уноса ГРЭС подвижность раствора возрастает, что позволяет дополнительно вводить в раствор твердую фазу и готовить тампонажный раствор с пониженным водосмесевым отношением. (см. табл. 1 в конце описания).

Тампонажный раствор готовят следующим образом.

Тампонажный портландцемент смешивают с золой-уносом в заданном соотношении. Используют эолу-унос с содержанием двуокиси кремния не менее 30 мас. %. Смесь портландцемента с золой-уносом тщательно перемешивают до получения однородной сыпучей смеси и затем затворяют жидкостью затворения. В качестве жидкости затворения используют либо техническую воду, либо пластовую воду, либо водные растворы реагентов: пластификаторов и/или регуляторов сроков схватывания.

Полученный раствор перемешивают в течение 3-х минут и определяют растекаемость раствора, его плотность и коэффициент водоотделения. Затем определяют сроки схватывания раствора при температурах 20 и 140^oC. Сроки схватывания раствора при комнатной температуре определяют на игле Вика при атмосферном давлении, а при температуре 140^oC и давлении 30 МПа определяют в автоклаве.

Оставшуюся часть раствора заливают в стандартные формы, часть образцов оставляют на 24 часа для отверждения в естественных условиях, а часть образцов помещают в автоклав и выдерживают в течение суток при температуре 140^oC и давлении 30 МПа. Затвердевшие образцы испытывают на изгиб и на сжатие.

Пример 1. 1056,4 г тампонажного портландцемента смешивают с 352 г золы-уноса Новочеркасской ГРЭС с содержанием двуокиси кремния 53,2 мас.%, тщательно перемешивают до получения однородной сыпучей смеси, которую затворяют 791,6 см³ технической воды. Полученный раствор перемешивают в течение 3 минут. Растекаемость раствора по конусу АзНИИ составляет 20,5 см, плотность - 1,87 г/см³, коэффициент водоотделения - 0, при 20^oC. Раствор заливают в вертикальные формы 20х20х110 мм и оставляют на затвердение при температуре 20^oC и P= 0,1 МПа в течение 24 часов. Оставшуюся часть раствора используют для определения сроков схватывания раствора при температуре 20^oC и давлении 0,1 МПа. Через 24 часа образцы испытывают на изгиб и сжатие.

Результаты испытаний приведены в табл. 2, в конце описания.

Пример 2. Осуществляют по примеру 1 с той разницей, что определение сроков схватывания тампонажного раствора и выдержку образцов для определения прочности цементного камня осуществляют в автоклаве при температуре 140^oC и давлении 30 МПа,
Результаты испытаний приведены в таблице 2.

Примеры 3-8 осуществляют по примерам 1 и 2 с той разницей, что берут различные соотношения компонентов в тампонажном растворе.

Результаты испытаний приведены в таблице 2.

Как следует из результатов испытаний, при содержании в тампонажном растворе тампонажного портландцемента в количестве 24,64-52,82 мас.ч., золы-уноса ГРЭС с содержанием двуокиси кремния более 30 мас.%, в количестве 17,60-47,82 мас.ч и жидкости затворения - до получения растекаемости тампонажного раствора не менее 18 см по конусу АзНИИ, тампонажный раствор характеризуется плотностью 1,860-1,880 г/см³ и повышенной прочностью цементного камня.

При введении в тампонажный раствор эолы-уноса с содержанием SiO₂ ≥ 30 мас. %, в количестве менее 17,6 мас.ч. подвижность тампонажного раствора и прочность цементного камня увеличиваются незначительно.

При введении в тампонажный раствор золы-уноса с содержанием SiO₂ ≥ 30 мас. %, в количестве более 47,82 мас.ч., прочность цементного камня резко снижается.

В тоже время при использовании золы-уноса с содержанием SiO₂ менее 30 мас. % в температурном диапазоне 20-140^oC, наблюдается значительное снижение прочности цементного камня в ранние сроки твердения.

Параметры тампонажного раствора и прочность цементного камня регулируют с учетом технических возможностей и геолого-технических условий строящихся скважин. Для этого тампонажные растворы обрабатывают пластификаторами и регуляторами сроков схватывания. В табл. 3 (см. в конце описания) приведены составы цементно-зольных тампонажных растворов, содержащих химреагенты. Вышеуказанные химреагенты вводят в жидкость затворения, на которой готовят тампонажный раствор.

Применение пластификаторов и регуляторов сроков схватывания как раздельно, так и совместно, позволяет регулировать параметры раствора и прочность цементного камня. При этом прокачиваемость раствора улучшается, раствор становится более пластичным и сроки схватывания можно как увеличивать, при использовании замедлителей, так и уменьшать, при использовании ускорителей сроков схватывания тампонажного раствора.

В таблице 3 представлены составы тампонажных растворов, содержащие пластификатор и/или регулятор сроков схватывания тампонажного раствора, а так же результаты испытаний указанных тампонажных составов.

Предложенный тампонажный раствор по сравнению с тампонажным раствором прототипом позволяет повысить раннюю прочность цементного камня.

Источники информации:
1. Бережной А.И. и др. Цементирование скважин цементно-зольными тампонажными растворами" РНТС, Бурение, 1971, N 6 с. 14-16
2. А.С. N 1802089, E 21 B 33/138, 1993 (прототип)с

Формула изобретения

1. Тампонажный раствор для крепления скважин, включающий тампонажный портландцемент, активную добавку - золу-унос и жидкость затворения, отличающийся тем, что он содержит активную добавку - золу-унос с содержанием двуокиси кремния не менее 30 мас.% при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:
Тампонажный портландцемент - 24,64 - 52,82
Зола-унос с содержанием двуокиси кремния не менее 30 мас.% - 17,6 - 47,82
Жидкость затворения - До получения растекаемости тампонажного раствора не менее 18 см по конусу АзНИИ
2. Тампонажный раствор по п.1, отличающийся тем, что в качестве жидкости затворения он содержит техническую или пластовую воду.

3. Тампонажный раствор по п.1, отличающийся тем, что в качестве жидкости затворения он содержит водный раствор пластификатора и/или регулятора сроков схватывания тампонажного раствора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3