Облегченный тампонажный раствор

Изобретение относится к тампонажным растворам, используемым для цементирования обсадных колонн газовых, газоконденсатных и нефтяных скважин, осложненных наличием пластов с низким давлением гидроразрыва, а также наличием в разрезе многолетнемерзлых горных пород (ММП). Облегченный тампонажный раствор включает цемент ЦНУБ, облегчающую добавку – клиноптилолит, воду при следующем соотношении компонентов, мас.%: цемент ЦНУБ - 47,0-60,0; клиноптилолит - 6,6-11,8; вода - остальное. Технический результат - предотвращение межколонных проявлений в процессе строительства и эксплуатации скважин за счет улучшения параметров тампонажного цемента, а именно повышение седиментационной устойчивости его раствора, достижения безусадочности и необходимой прочности цементного камня при низких положительных и отрицательных температурах на ранней стадии твердения при одновременном снижении плотности тампонажного раствора. 1 табл.

 

Изобретение относится к тампонажным растворам, используемым при цементировании обсадных колонн газовых, газоконденсатных и нефтяных скважин, осложненных наличием слабосвязанных, склонных к гидроразрыву горных пород, а также горных пород с низкой положительной и отрицательной температурой.

Известен облегченный тампонажный раствор [1], содержащий портландцемент, облегчающую минеральную добавку - гидрофобизированную клиноптилолитоглинистую горную породу при следующем соотношении компонентов в растворе, маc.%:

цемент 30,0-40,0

гидрофобизированная

клиноптилолитоглинистая горная порода 13,0-23,0

вода остальное

Недостатками известного раствора является его усадка в процессе твердения, в результате чего ухудшается сцепление цементного камня с обсадными колоннами и низкая для геокриологических условий седиментационная устойчивость.

Наиболее близким по составу и назначению является тампонажный раствор пониженной плотности [2], содержащий тампонажный цемент ЦНУБ, облегчающую минеральную добавку - вермикулит.

Недостаток известного тампонажного раствора заключается в том, что вермикулит является инертным наполнителем, не участвующим в реакциях гидратации цемента, следовательно, не увеличивающим его прочность.

Задачей изобретения является улучшение параметров облегченного тампонажного раствора и камня, обеспечивающих качественное цементирование обсадных колонн в интервале многолетнемерзлых пород (ММП), предотвращение межколонных проявлений, подъем цемента до устья скважины.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение седиментационной устойчивости и прочности тампонажного цемента, уменьшение контракции.

Сущность изобретения заключается в том, что заявляемый облегченный тампонажный раствор включает тампонажный цемент ЦНУБ, облегчающую добавку - цеолитосодержашую горную породу клиноптилолит, активно участвующую в структурообразовании цемента, и воду, при следующем соотношении компонентов, мас.%: цемент низкотемпературный ЦНУБ - 60,0-47,0; клиноптилолит - 6,6-11,8; вода - остальное.

Сравнительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый облегченный тампонажный раствор отличается от известного введением новых компонентов, а именно: клиноптилолита при вышеприведенном соотношении компонентов, т.е. заявляемое изобретение отвечает критерию “новизна”.

Тампонажный цемент ЦНУБ содержит: тонкоизмельченный безгипсовый портландцементный клинкер (90%), обожженный твердый остаток содового производства (10% от содержания клинкера), пластифицирующая добавка - НТФ (0,1-0,13% от веса сухой смеси), электролит-кальцинированная сода (3,8-5,0% от веса сухой смеси). Выпуск цемента ЦНУБ налажен на Стерлитамакском АО “Сода”.

По составу цеолиты - это каркасные алюмосиликаты, в частности, клиноптилолит - (Na, K)₄ Са Аl₆ Si₃₀ O₇₀ 24 H₂O. Он является природным микропористым каркасным силикатом, в его структуре имеются четыре типа каналов капиллярных размеров. Основные структурные параметры клиноптилолита следующие: эффективный диаметр входных окон 0,43-0,35 нм; объем свободного внутрикристаллического пространства 30-40%. Клиноптилолит залегает мощными пластами на многих месторождениях цеолитозированных туфов (Сокорница, Тедзами, Восточная Сибирь и др.).

Действие добавки клиноптилолита заключается не только в понижении плотности раствора, но и в уменьшении контракции, упрочнении тампонажного камня.

Это объясняется тем, что в цеолитах, как правило, часть ионов кремния замещена на алюминий. Такое замещение приводит к появлению избыточного отрицательного заряда, который должен быть нейтрализован дополнительным ионом, расположенным во внутрикристаллических полостях структуры. Кроме того, ионообменные центры могут возникать на поверхности минералов в связи с отклонениями от электронейтральности на границах раздела фаз. Наличие заряда на внешней поверхности способствует взаимодействию частиц клиноптилолита с ионами и ассоциатами золя цементной дисперсии. Физико-химическое состояние коллоидных частиц в цементно-цеолитовом растворе отвечает условиям последующего образования прочных единичных контактов в микроструктуре камня, гидратационный процесс постоянно возобновляется на очищенных от новообразований участках цеолита.

Поскольку тампонажный цемент ЦНУБ представлен в основном оксидом кальция, растворимость которого при пониженных температурах достаточно высокая, то предполагается его взаимодействие с поверхностью частиц клиноптилолита с образованием гидратных соединений. Таким образом, клиноптилолит будет способствовать созданию облегченного тампонажного раствора, формирующего камень с повышенными прочностными и изоляционными свойствами.

Большое содержание активного оксида кальция в обожженном твердом остатке содового производства активизирует процесс твердения безгипсового портландцемента, повышает его седиментационную устойчивость и обеспечивает расширяющие свойства цементного камня.

Сравнение с известными тампонажными растворами проводили для составов, удовлетворяющих требованиям ГОСТ 1881-96 для плотности облегченных тампонажных растворов.

В представленных экспериментальных данных использовали цемент тампонажный ЦНУБ по СТП-1-39-91 (ПО “Арктикморнефтегазразведка”), цеолит по ТУ 113-12-98-852, воду водопроводную по ГОСТ 2874-82.

Сравнение с известным раствором производилось по плотности, растекаемости, водоотделению, срокам схватывания тампонажного раствора и прочности формируемого из него камня. Все составы (известные и заявляемые) имеют одинаковые условия твердения, образцы при температуре минус 2°С и атмосферном давлении. Определение основных свойств облегченного тампонажного раствора и камня проводили в соответствии с ГОСТ 267981-96, 267982-96 “Цементы тампонажные”, “Методы испытаний” и методикой, предложенной в работе [3]. Плотность тампонажного раствора определяют ареометром АГ-1, растекаемость - по конусу АзНИИ, сроки схватывания прибором Вика, предел прочности тампонажного камня на изгиб - на испытательной машине МИИ-100, водоотделение - с помощью мерных цилиндров.

Для выявления отличительных признаков и технического результата изменяли массовые соотношения ингредиентов в широком интервале значений.

Облегченный тампонажный раствор готовят следующим образом. Необходимое количество цеолита смешивают с цементом ЦНУБ, а затем смесь затворяют водой при заданном водоцементном отношении.

Пример:

Для приготовления 1 кг облегченного тампонажного раствора (состав №6) необходимо взять 601 г цемента ЦНУБ смешать с 66 г цеолита (клиноптилолита) и затворить 333 г воды.

Состав перемешивают 3 минуты, после чего определяют его плотность, растекаемость и водоотделение. Для определения сроков схватывания, предела прочности тампонажного камня на изгиб приготовленный раствор заливают в формы и выдерживают при температуре минус 2°С. Тампонажный камень испытывают на прочность через 2 суток от начала его затворения. Результаты испытаний приведены в таблице.

Приготовленный состав 6 имеет плотность 1660 кг/м³, растекаемость - 180 мм, начало схватывания через 7 ч 15 мин, конец схватывания - 10 часов, предел прочности камня на изгиб составляет 0,95 МПа, водоотделение - 1,4%. Усадочных деформаций цемента не наблюдалось.

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

Для выявления отличительных признаков и положительного эффекта изменяли массовое соотношение ингредиентов в широком интервале значений. Установлено, что составы растворов №6, 10, 14, 15 являются оптимальными.

Как видно из таблицы, заявленный тампонажный раствор обладает пониженным водоотделением от 0,0% (состав 14) до 1,4% (состав 6) при плотности 1610-1660 кг/м³. Прочность камня, сформированного из заявляемого цемента, находится в пределах от 0,90 МПа (раствор №15) до 0,97 МПа (раствор №10) при плотности 1510-1640 кг/м³.

Предлагаемый тампонажный раствор позволяет повысить качество крепления низкотемпературных скважин и предотвратить недоподъем цемента до устья скважин, имеющий место при цементировании известными составами.

Сравнительная характеристика известного и предлагаемого облегченного тампонажного раствора (температура испытания -2°С)
№ пп	Состав тампонажного раствора, мас.%	Плотность, кг/м3	Растекаемость, мм.	Сроки схватывания, час-мин.	Прочность, МПа ·(2 сут.)	Водоотделение, %
	ЦНУБ	Облегч. добавка	Вода	Начало	Конец
Известный облегченный тампонажный раствор (прототип)
1.	59,4	Вермикулит 3,1	37,5	1600	200	5-25	11-10	0,90	7,4
Предлагаемый облегченный тампонажный раствор
2.	63,4	3,.3	33,3	1740	190	6-20	8-15	1,10	2,4
3.	59,4	3,1	37,5	1620	240	6-30	9-30	1,00	4,7
4.	55,9	2,9	41,2	1510	250	6-35	9-55	0,90	6,0
5	64,3	7,1	28,6	1780	170	5-40	8-25	1,06	0,0
6.	60,1	6,6	33,3	1660	185	7-15	10-00	0,95	1,4
7.	56,3	6,2	37,5	1550	240	7-20	10-20	0,81	4,1
8.	52,9	5,9	41,2	1490	250	7-20	10-40	0,85	5,3
9.	60,7	10,7	28,6	1750	170	6-30	9-00	1,0	0,0
10.	56,7	10,0	33,3	1640	185	6-50	9-35	0,97	0,5
11.	53,1	9,4	37,5	1530	230	7-10	10-30	0,91	2,3
12.	50,0	8,8	41,2	1470	250	7-25	10-45	0,88	3,6
13.	57,1	14,3	28,6	1720	165	6-50	9-45	1,0	0,0
14.	53,4	13,3	33,3	1610	180	6-45	10-00	0,92	0,0
15.	50,0	12,5	37,5	1510	215	7-40	10-30	0,90	0,9
16.	47,0	11,8	41,2	1440	240	7-20	10-50	0,80	2,4

Источники информации:

1 А.с. СССР №1099051, кл. Е 21 В 33/138.

2 Овчинников В.П, Фролов А.А., Шатов А.А, Вяхирев В.И., Сорокин В.Ф., Овчинников П.В. Солевые и тампонажные композиции на основе вторичных материальных ресурсов производства соды. - М.: ООО “Недра-Бизнесцентр”, 2000. – 214 с.

3. Клюсов А.А., Лепнев Э.Н., Никулин В.Я. и др. Особенности испытания тампонажных материалов для низкотемпературных скважин// Обзорная информация. Серия “Бурение газовых и газоконденсатных скважин”. - М.: ВНИИЭГазпром, 1989, №2, 30 с.

Облегченный тампонажный раствор, включающий тампонажный цемент ЦНУБ, облегчающую минеральную добавку - цеолитосодержащую горную породу и воду, отличающийся тем, что в качестве цеолитосодержащей породы содержит клиноптилолит при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Цемент ЦНУБ 47,0-60,0

Клиноптилолит 6,6-11,8

Вода Остальное