Облегченный тампонажный раствор

Изобретение относится к строительству нефтяных, газовых и разведочных скважин и может использоваться для изоляции горизонтов с аномально низкими пластовыми давлениями. Облегченный тампонажный раствор включает портландцемент, воду и алюмосиликатные полые микросферы, заполненные азотом, причем указанный раствор после перемешивания насыщают азотом при следующем соотношении компонентов, мас.%: портландцемент 85, указанные микросферы 1 и сверх 100% азот 0,035-0,04, вода 45-60. Технический результат - снижение плотности цементного раствора ниже 1400 кг/м³ с сохранением физико-механических свойств, удовлетворяющих требованиям ТУ на облегченные тампонажные растворы. 3 табл., 3 ил.

 

Изобретение относится к строительству нефтяных, газовых и разведочных скважин и может использоваться для изоляции горизонтов с аномально низкими пластовыми давлениями.

Известна композиция аэрированного цементного раствора /Пат. 2169822 RU, МПК⁷ Е 21 В 33/138, опубл. 2001/, в составе которого используют, масс.%: вяжущее (портландцемент) 55-65,5, порообразователь 0,01-0,2, структурообразователь (ОФФП) 0,3-0,6, воздух 0,01-0,2, жидкость затворения - вода.

Известен аэрируемый цементный раствор /Пат. 2084427 RU, МПК⁶ С 04 В 38/02, Е 21 В 33/138, опубл.1997/, содержащий, масс.%: минеральное вяжущее 43-79, смесь хлористого, сернокислого углекислого натрия 5-9,6, натриевую соль изомерных алкилсульфоновых кислот 32-34, углеводы 1-1,5, влагу 2-3, воздух 0,01-0,1, воду - остальное.

Известна композиция для приготовления аэрированного тампонажного раствора /А.с 1745893 SU, МПК⁵ Е 21 В 33/138, опубл. 1992/, включающая портландцемент, пенообразователь, воздух и воду. В качестве пенообразователя используются неионогенные ПАВ (неонол АФ 9-12 - оксиэтилированные моноалкилфенолы тримеров пропилена со степенью оксиэтилирования 12) 0,2-0,6%. Применение АФ 9-12 характеризуется более эффективным пенообразованием.

Известен тампонажный раствор, который содержит, масс.%: портландцемент - 43,5-62,5, полые алюмосиликатные микросферы, заполненные в основном азотом и двуокисью углеводорода - 6,5-19,9, добавку дистиллерной жидкости - 07,-6,2 и воду - остальное, при этом соотношение портландцемента и микросфер - (75-90):(10-25) /Патент 2136845 RU С1, опубл.10.09.1999/.

Причинами, препятствующими достижению требуемого технического результата указанных известных аналогов, являются низкие показатели прочностных характеристик цементного раствора (камня), нарушение сплошности цементного камня в заколонном пространстве с образованием газовых пачек в процессе структурообразования. Основным недостатком является ограниченный контроль кратности пены с использованием ПАВ и плотности аэрированного тампонажного раствора на входе и выходе из скважины в процессе закачивания и продавливания раствора. При этом технология аэрирования тампонажных растворов воздухом имеет ряд недостатков, таких как содержание в воздухе кислорода до 70%, что может повлечь за собой при неравномерной закачке реагента нерастворенную газовую подушку, вызывая внутреннее горение, возможность взрывоопасной ситуации при взаимодействии с углеводородами, при взаимодействии с углеводородами происходит дополнительное повышение температуры в зоне продуктивного интервала, влияющей на процесс формирования цементного камня.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка облегченного тампонажного раствора для цементирования обсадных колонн с показателями, удовлетворяющими требованиям ТУ на облегченные растворы.

При осуществлении изобретения поставленная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается в снижении плотности облегченного тампонажного раствора ниже 1400 кг/м³ без применения ПАВ.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном облегченном тампонажном растворе, включающем портландцемент, воду и алюмосиликатные полые микросферы, заполненные азотом, особенностью является то, что раствор после перемешивания насыщают азотом при следующем соотношении компонентов, масс.%: портландцемент - 85, алюмосиликатные полые микросферы - 15 и сверх 100% азот 0,035-0,04, вода 45-60.

Снижение плотности облегченного тампонажного раствора ниже 1400 кг/м³ возможно за счет азотонасыщения тампонажной композиции, в состав которой входят алюмосиликатные полые микросферы (АСПМ).

Основными предпосылками к использованию азотонаполненных тампонажных систем являются следующие: азот нетоксичен, газообразный азот взрывобезопасен, газообразный азот слабо растворим в нефти и воде, растворимость азота в нефти и воде с изменением температуры изменяется незначительно, взаимодействие азота с углеводородами продуктивного интервала в дальнейшем способствует уменьшению сроков освоения скважины, т.к. уменьшается вязкость и динамическое напряжение сдвига нефти, азот в тампонажном растворе сохраняет газообразное состояние, что обусловлено его критическими параметрами, фильтрация азотонаполненных тампонажных систем (АТС) через пористую среду проходит при более высоких давлениях.

При сложившейся на сегодня практике цементирования обсадных колонн методом встречных заливок (или комбинированным способом цементирования) и применяемых рецептурах облегченных тампонажных композиций не обеспечивается надлежащее качество разобщения вскрываемых пород. Отмечаются: недоподъем тампонажного раствора до устья, отсутствие цементного камня в зоне схождения первой и второй ступеней, значительный процент "отсутствия" и "плохого" сцепления цементного камня с колонной, наличие заколонных давлений и межколонных перетоков.

Основными причинами этого являются:

- гидроразрыв пластов при встречном цементировании;

- использование в качестве облегчающих добавок при креплении обсадных колонн водо- и воздухововлекающих материалов (глинопорошок, вермикулит), полимерных и других добавок. Снижение плотности тампонажного раствора в этом случае обычно достигается за счет повышенного водосодержания вследствие адсорбции молекул воды на поверхности твердой фазы. Последнее является причиной низкой прочности формирующегося цементного камня, его высокой проницаемости, усадочных деформаций.

Использование микросфер (АСПМ) (6 до 12%) в качестве облегчающей добавки снижает плотность цементного раствора с 1860 до 1400 кг/м³. Физико-механические свойства раствора (камня) с добавками микросфер удовлетворяют требованиям, предъявляемым к тампонажным облегченным композициям для цементирования газовых скважин.

При добавлении азота в облегченный тампонажный раствор с использованием АСПМ происходит снижение плотности до 1180 кг/м³ вследствие заполнения газом полых микросфер. Заполнение азотом полых микросфер дает возможность отказа от применения ПАВ (поверхностно активных веществ) в качестве связывающего газового компонента. Отсутствие ПАВ в азотонаполненной тампонажной системе (АТС) дает возможность осуществления четкого контроля над параметрами аэрации, кратности (вспениваемости) цементного раствора.

Облегченный тампонажный раствор готовят следующим образом. В тампонажный портландцемент бездобавочный с нормированными требованиями при водоцементном отношении, равном 0,44 (ГОСТ 26798.1-96) - ПЦТ-I-G-CC-1, добавляют жидкость затворения в виде воды. В качестве облегчающей добавки в тампонажные растворы используют микросферы (АСПМ) до 15%. Алюмосиликатные полые микросферы (АСПМ) являются отходом сжигания топлива в ТЭЦ. Микросферы представляют собой легкий сыпучий порошок серого цвета, состоящий из отдельных полых частиц сферической формы, истинная плотность которого в зависимости от влажности составляет 400-500 кг/м³. Минералогический компонентный состав представлен преимущественно SiO₂ - 54,4% и Al₂О₃ - 25,1%. Отмечается высокое содержание кремнезема и оксида алюминия, суммарное содержание которых превышает 90%. Содержание остальных компонентов незначительно. Прочность на разрушение при гидростатическом сжатии до 30 МПа. После тщательного перемешивания облегченного тампонажного теста (2-3 мин) производят добавление азота в количестве 0,035-0,04%.

На фиг.1 показана зависимость кратности пены (вспениваемость) АТС от времени (1 - бездобавочный; 2 - с АСПМ 15%), при постоянной производительности установки (МВа - 0,36) - 7,2 м³/ч. На фиг.2 показаны изменения прочностных характеристик (1 - прочность на изгиб через 1 сутки; 2 - прочность на изгиб через 2 суток; 3 - прочность на сжатие через 2 суток) в зависимости от азотонасыщения и давления формирования образцов цементного камня с добавлением облегчающей добавки алюмосиликатных полых микросфер (АСПМ). На фиг.3 представлена зависимость флюидопроницаемости от давления формирования образцов АТС (1 - бездобавочный; 2 - с АСПМ 15%).

В таблице 1 приведены результаты исследований кратности пены азотонаполненной тампонажной системы. Кратность пены определялась по изменению плотности тампонажного раствора с учетом производительности (газоразделительной мембранной установки МВа - 0,36) и контроля времени насыщения азотом. Установка газоразделительная мембранная МВа - 0,36 предназначена для получения азота из атмосферного воздуха с помощью полимерной селективной мембраны. Она смонтирована на базе автомобиля КрАЗ 256. Давление азота на выходе 1,8-2,5 МПа и производительность составляет (концентрация азота 95%) 360 м³/ч.

Проведен анализ результатов экспериментальных исследований по оценке изменения прочностных характеристик цементного камня АТС с разным давлением формирования образцов. Испытания образцов - балочек проводились на изгиб на установке МИИ-100, на сжатие - на приборе для испытания крепости - модель 4207 CHANDLER ENGIINEERING согласно требованиям API. В таблице 2 представлены результаты испытаний до азотонасыщения и после азотонаполнения тампонажной системы с регулированием плотности и давления в процессе формирования цементного камня.

Проведенные испытания тампонажных растворов показали следующее: показатели прочности цементного камня снижаются при азотонасыщении и формировании камня АТС при давлении Р-0,5 МПа, стабилизация показателей прочностных характеристик до значений, удовлетворяющих требованиям по ГОСТу применения тампонажных материалов, происходит с увеличением давления Р=1,0 МПа, изменение показателя прочностных характеристик цементного камня с 1,7 до 1,95 МПа (прочность на изгиб через двое суток) с применением облегчающей добавки алюмосиликатных полых микросфер (АСПМ), насыщенных азотом, подтверждает необходимость применения микросфер в композиции с азотом в целях дополнительного снижения плотности тампонажного раствора ниже 1400 кг/м³ и поддержании требований к показателям, предъявляемым к облегченным цементным растворам.

Проведен анализ результатов экспериментальных исследований изменения флюидопроницаемости цементного камня АТС с разным давлением формирования образцов. Экспериментальные исследования проницаемости флюида (керосин) проводились на оборудовании, удовлетворяющем требованиям API - модель 6100 CHANDLER ENGINEERING Formation Response Tester - Тестер реакции пород. На данном приборе исследовался поток флюида, проходящий через образец АТС, разной по своему композиционному составу. Испытание проводилось на десяти образцах АТС разного композиционного состава и с разным давлением формирования системы. После проведения десяти замеров по каждому образцу выбирались пять средних значений по плотности камня и проницаемости флюида с занесением данных в таблицу 3. Согласно проведенным исследованиям по флюидопроницаемости АТС можно сказать, что применение азотонасыщения в композиции с облегченной добавкой АСПМ дает возможность уменьшить флюидопроницаемость камня с 7-8 мД (ранее проведенные эксперименты) до 5-6 мД (давление формирования 0,102 МПа) и 3-4 мД (давление формирования 1,0 МПа).

Анализ экспериментальных исследований АТС в композиции с облегчающей добавкой АСПМ показал, что азотонасыщение тампонажных систем, включающих портландцемент, облегчающую добавку АСПМ, позволяет снизить плотность с 1640 до 1180 кг/м³. Параметры прочностных характеристик (на сжатие, на изгиб), проницаемость флюида азотонаполненной тампонажной системы полностью удовлетворяют требованиям, предъявляемым к физико-механическим свойствам раствора (камня) для цементирования интервалов, сложенных высокопроницаемыми с низкими пластовыми давлениями коллекторов нефти и газа.

Таблица 1
В/Ц	t, °С	Плотность, кг/м3	Растекаемость, см	Время насыщения, мин	Производительность установки, м3/ч	Плотность АТС, кг/м3	Растекаемость АТС, см	Кратность пены (вспениваемость)
1	2	3	4	5	6	7	8	9
Mac.%: Портландцемент 100 Азот 0,035 Вода 55
0,55	22	1820	24	1	7,2	1815	24,0	1,002
0,55	22	1820	24	2	7,2	1815	24,0	1,002
0,55	22	1820	24	3	7,2	1810	23,5	1,005
0,55	22	1820	24	4	7,2	1790	23,5	1,016
0,55	22	1820	24	5	7,2	1750	22,5	1,04
0,55	22	1820	24	6	7,2	1710	21,5	1,064
0,55	20	1820	24	7	7,2	1690	20,0	1,076
0,55	22	1820	24	8	7,2	1640	18,5	1,109
0,55	22	1820	24	9	7,2	1640	18,0	1,109
0,55	22	1820	24	10	7,2	1640	18,5	1,109
Mac.%: Портландцемент 85 АСПМ 15 Азот 0,035 Вода 44
0,44	20	1650	22	1	7,2	1610	21,5	1,024
0,44	20	1650	22	2	7,2	1575	20,0	1,047
0,44	20	1650	22	3	7,2	1515	19,5	1,089
0,44	20	1650	22	4	7,2	1475	19,5	1,118
0,44	20	1650	22	5	7,2	1364	17,7	1,219
0,44	20	1650	22	6	7,2	1298	17,0	1,271
0,44	20	1650	22	7	7,2	1220	16,5	1,352
0,44	20	1650	22	8	7,2	1180	16,5	1,398
0,44	20	1650	22	9	7,2	1180	16,5	1,398
0,44	20	1650	22	10	7,2	1180	16,5	1,398

Облегченный тампонажный раствор, включающий портландцемент, воду и алюмосиликатные полые микросферы, заполненные азотом, отличающийся тем, что указанный раствор после перемешивания насыщают азотом при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Портландцемент	85
Указанные микросферы	15

и сверх 100 %

Азот	0,035-0,04
Вода	45-60