Облегченный тампонажный раствор

Изобретение относится к тампонажным растворам, используемым при цементировании обсадных колонн газовых, газоконденсатных или нефтяных скважин, осложненных наличием слабосвязанных, склонных к гидроразрыву пород. Технический результат - разработка стабильного облегченного тампонажного раствора с пониженной водоотдачей, формирующего цементный камень, характеризующийся повышенной прочностью сцепления с обсадной колонной. Облегченный тампонажный раствор содержит, мас.%: портландцемент тампонажный 48,46-60,00, алюмосиликатные полые микросферы 6,66-12,11, праестол марки 611 ВС 0,01-0,07, раствор хлорида кальция плотностью 1,03 г/см³ или растворы хлоридов кальция и натрия плотностью 1,03 г/см³ 33,33-41,15. 1 табл.

 

Изобретение относится к тампонажным растворам, используемым при цементировании обсадных колонн газовых, газоконденсатных или нефтяных скважин, осложненных наличием слабосвязанных, склонных к гидроразрыву пород.

Известен облегченный тампонажный раствор, включающий портландцемент, облегчающую добавку - золу-унос, сульфат натрия или кальция, гидросил и воду /авт. св. №1702087, МПК Е 21 В 33/138, опубл.15.03.93, бюл.№10/.

Недостатком известного облегченного тампонажного раствора является низкая растекаемость, которая находится в пределах 18-20 см, а также низкая прочность камня (0,6-1,0 МПа).

Наиболее близким по составу и назначению является облегченный тампонажный раствор, содержащий портландцемент тампонажный, облегчающую добавку - алюмосиликатные полые микросферы, глинопорошок и воду /патент №2151267, МПК Е 21 В 33/138 от 20.06.2000 г./.

Недостатком данного раствора является низкая прочность цементного камня и прочность сцепления его с металлом, высокая водоотдача и низкая седиментационная устойчивость.

Совокупность указанных недостатков приводит к снижению качества крепления скважин и вероятности возникновения заколонных флюидопроявлений.

При создании изобретения решалась задача повышения качества крепления скважин и предотвращение возникновения заколонных газопроявлений за счет повышения стабильности тампонажного раствора, снижения водоотдачи в условиях затворения растворами щелочных металлов, повышения прочности сцепления формирующегося цементного камня с металлом обсадных труб.

Техническим результатом изобретения является разработка стабильного облегченного тампонажного раствора с пониженной водоотдачей, формирующего цементный камень, характеризующийся повышенной прочностью сцепления с обсадной колонной.

Решение поставленной задачи достигается тем, что облегченный тампонажный раствор, включающий портландцемент тампонажный, облегчающую добавку - алюмосиликатные полые микросферы и жидкость затворения, в отличие от известного содержит водорастворимый полимер Праестол марки 611 ВС, а в качестве жидкости затворения - раствор хлорида кальция плотностью 1,03 г/см³ или растворы хлоридов кальция и натрия плотностью 1,03 г/см³, при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

Портландцемент тампонажный	48,46-60,00
Алюмосиликатные полые микросферы	6,66-12,11
Праестол марки 611 ВС	0,01-0,07
Раствор хлорида кальция
плотностью 1,03 г/см3 или
растворы хлоридов кальция и натрия
плотностью 1,03 г/см3	33,33-41,15

В экспериментах использован Праестол производства OOO "Дегусса Евразия" по ТУ 2216-001-40910172-98 марки 611 ВС. Праестол марки 611 ВС является полимером со слабой катионной активностью, полученного сополимеризацией акриламида и катионного сономера на основе акриловой кислоты или акриламида. Определяющими свойствами Праестола марки 611 ВС являются характер ионной активности, степень полимеризации и солестойкость в растворах хлористого кальция и натрия.

Водорастворимый Праестол марки 611 ВС образует в водных растворах щелочных и щелочноземельных металлов структуру, обладающую высокими удерживающими характеристиками. Хлорид кальция вводят для образования избытка ионов кальция, иначе Праестол марки 611 ВС, выводя из реакции кристаллизации ионы кальция, входящие в цементный клинкер, вызывает ухудшение технологических и механических свойств цементного раствора и камня. Являясь двухвалентным, кальций взаимодействует с молекулами Праестола марки 611 ВС, рассредоточенными в объеме, и образует сплошную пространственную сетку из сшитого полимера, это приводит к стабилизации цементного раствора и повышению прочностных характеристик камня. Введение хлорида натрия способствует формированию камня с повышенной прочностью сцепления.

Основное назначение Праестола марки 611 ВС - придание раствору седиментационной устойчивости, повышение прочностных характеристик камня и уменьшение фильтрационных свойств. Пониженная водоотдача тампонажного раствора позволяет уменьшить загрязнение породы фильтратом раствора и предотвратить чрезмерную усадку тампонажного камня, т.е. более полно заполнить затрубное пространство тампонирующим материалом.

Введение в облегченный тампонажный раствор Праестола марки 611 ВС в количестве 0,01-0,07% позволяет получить технологически необходимые сроки схватывания цементного раствора.

В представленных экспериментах использовали портландцемент тампонажный ПЦТ 1-50 по ГОСТ 1581-96, алюмосиликатные полые микросферы по ТУ 5712-001-49558624-2003, хлорид натрия по ГОСТ 4233-77, хлорид кальция по ТУ 6-09-4711-81, Праестол марки 611 ВС по ТУ 2216-001-40910172-98.

Определение основных свойств облегченного тампонажного раствора и камня проводили при температуре 20±2°С и атмосферном давлении в соответствии ГОСТ 26798.1-96 "Цементы тампонажные. Методы испытаний". Плотность тампонажного раствора определяли пикнометром, растекаемость - по конусу АзНИИ. Водоотделение раствора определяли следующим образом: облегченный тампонажный раствор заливали в два стеклянных цилиндра до отметки 250 см³ и оставляли в покое. Через 2 часа отделившуюся жидкость отбирали пипеткой в мерный цилиндр вместимостью 20 см³ и замеряли объем.

Водоотдачу раствора определяли на приборе ВМ-6.

Стабильность определяли в цилиндре ЦС-2 по разности плотностей верхней и нижней части тампонажного раствора после выдерживания в покое 2 часа.

Сроки схватывания - иглой Вика, предел прочности камня на изгиб - на испытательной машине МИИ-100, прочность на сжатие и сцепление с металлом - на гидравлическом прессе П-10. Прочность сцепления тампонажного камня с металлом определялась в соответствии с методикой, предложенной в работе /В.С.Данюшевский, Р.М.Алиев, И.Ф.Толстых. Справочное руководство по тампонажным материалам. - М.: Недра, 1987 - с 350-353/. После определения сроков схватывания и до времени испытания образцы хранят в воде при температуре 20±2°С. Камень испытывали на прочность через 2 сут.

Облегченный тампонажный раствор готовили следующим образом. Готовили сухую смесь цемента, алюмосиликатных полых микросфер и Праестола марки 611 ВС в заданных соотношениях. Приготовленную смесь затворяли водным раствором хлорида кальция плотностью 1,03 г/см³ или растворами хлоридов кальция и натрия при соотношении 1:1 плотностью 1,03 г/см³. После определения основных параметров облегченный тампонажный раствор дополнительно перемешивался в лабораторной мешалке (n=150±20 об/мин) в течение 60 мин, соответствующих времени закачивания и продавливания облегченного тампонажного раствора при цементировании сеноманских скважин. После этого замерялись параметры данного раствора и свойства сформированного камня.

Раствор прототипа также приготовлен в лабораторных условиях и замерены его параметры - водоотделение, водоотдача, стабильность, прочность сцепления, отсутствующие в описании прототипа.

Пример. Для приготовления 1 кг облегченного тампонажного раствора (таблица, состав 6) необходимо взять 721 г раствора хлорида кальция плотностью 1,03 г/см³, затем приготовить сухую тампонажную смесь из 850 г тампонажного портландцемента, 150 г алюмосиликатных полых микросфер и 1 г Праестола марки 611 ВС. Состав перемешивали 3 мин, после чего определяли плотность и растекаемость. Затем указанный раствор дополнительно перемешивали в течение 60 мин и определяли плотность, растекаемость. Водоотделение, стабильность и водоотдачу облегченного тампонажного раствора определяли по вышеописанной методике. Определяли сроки схватывания, прочность камня на изгиб, сжатие и сцепление с металлом. После определения сроков схватывания и до времени испытания образцы хранили в воде при температуре 20±2°С. Камень испытывали на прочность через 2 сут.

Приготовленный облегченный тампонажный раствор имеет плотность 1,47 г/см³, растекаемость 230 мм, водоотделение - 0,00 мл и стабильность - 0,00 г/см³, водоотдача 75,8 см³, прочность сцепления - 1,5 МПа.

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

Для выявления отличительных признаков и положительного эффекта изменяли массовые соотношения ингредиентов.

Как видно из таблицы, заявляемый облегченный тампонажный раствор обладает высокой седиментационной устойчивостью по сравнению с прототипом (водоотделение заявляемого 0,0 мл, а прототипа 4,0 мл и стабильность заявляемого 0,00 г/см³, а прототипа 0,12 г/см³) и пониженной водоотдачей (заявляемый 75,8 см³, прототип 210,4 см³). Прочность сцепления камня с металлом 1,5 МПа (состав 6), прототипа 0,3 МПа.

Добавка Праестола марки 611 ВС в количестве 0,10 мас.% в растворе (состав 9) приводит к увеличению вязкости облегченного тампонажного раствора (растекаемость 140 мм) и сроков затвердевания (н.с. - 10-05 ч, к.с. - 11-30 ч), снижению прочности цементного камня на изгиб (1,1 МПа). Недостаточное количество полимера Праестол марки 611 ВС (состав 8) не позволяет приготовить стабильный тампонажный раствор (стабильность 0,09 г/см³) и приводит к снижению прочности сцепления камня с металлом (1,0 МПа).

Предлагаемый облегченный тампонажный раствор обладает высокой стабильностью и низкой водоотдачей при затворении растворами солей щелочно-земельных и щелочных металлов и позволит повысить качество крепления скважин за счет увеличения прочности сцепления цементного камня с металлом обсадных труб.

Таблица Физико-механические свойства облегченных тампонажных растворов с добавкой Праестола марки 611 ВС, приготовленных на растворе хлорида кальция плотностью 1,03 г/см3 или растворах хлорида кальция и натрия в соотношении 1:1 плотностью 1,03 г/см3 при 20°С
№п/п	Состав раствора, мас.%	Плотность, г/см3	Растекаемость, мм	Водоотделение, мл	Водоотдача, см3	Сроки схватывания, ч-мин	Прочность, МПа, 2 сут	Стабильность, г/см3
	цемент					асм	611 ВС		раствор*	изгиб	сжатие	сцепление
н.с.	к.с.
1	60,00	6,66	0,01	33,33	1,60	230	0,0	62,1	8-00	9-30	2,6	11,2	1,2	0,00
2	53,12	9,37	0,01	37,50	1,50	248	1,0	82,2	7-05	8-10	1,4	4,4	1,2	0,05
3	53,11	9,37	0,03	37,49	1,50	242	0,5	78,1	6-20	7-10	1,6	4,6	1,2	0,00
4	48,46	12,11	0,06	39,37	1,40	240	0,5	70,4	6-10	7-25	1,6	4,8	1,4	0,00
5	53,09	9,37	0,06	37,48	1,50	190	0,0	61,8	6-05	7-15	2,2	7,3	1,5	0,00
6	49,97	8,82	0,06	41,15	1,47	230	0,0	75,8	7-40	8-05	2,0	6,4	1,5	0,00
7	49,96	8,82	0,07	41,15	1,47	200	0,0	43,9	7-50	8-35	2,2	8,1	1,6	0,00
Запредельные значения
8	53,123	9,374	0,003	37,399	1,49	240	3,6	171,7	7-00	8-10	1,4	4,0	1,0	0,09
9	53,07	9,37	0,10	37,46	1,50	140	0,0	49,2	10-05	11-30	1,1	3,5	1,2	0,00
Прототип
	53,12	9,38	1,50 глинопор	36,00 CaCl2	1,51	220	4,0	210,4	6-50	7-30	1,4	3,0	0,3	0,12
* - раствор хлорида кальция плотностью 1,03 г/см3 или растворы хлорида кальция и натрия в соотношении 1:1 плотностью 1,03 г/см3

Облегченный тампонажный раствор, включающий тампонажный портландцемент, облегчающую добавку - алюмосиликатные полые микросферы и жидкость затворения, отличающийся тем, что он дополнительно содержит водорастворимый полимер Праестол марки 611 ВС, а в качестве жидкости затворения - раствор хлорида кальция плотностью 1,03 г/см³ или растворы хлоридов кальция и натрия плотностью 1,03 г/см³ при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

Портландцемент тампонажный	48,46-60,00
Алюмосиликатные полые микросферы	6,66-12,11
Праестол марки 611 ВС	0,01-0,07
Раствор хлорида кальция плотностью
1,03 г/см3 или растворы хлоридов
кальция и натрия плотностью 1,03 г/см3	33,33-41,15