ТАМПОНАЖНАЯ СМЕСЬ
GROUTING MIXTURE

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, в частности к тампонажным смесям предназначенных для цементирования обсадных колонн, перекрывающих интервалы проницаемых пластов с низким градиентом гидроразрыва (менее 0,0140 МПа/м).
2
2
3
2
3
2
2
2
3
Известна цементная тампонажная облегченная смесь, предназначенная для приготовления тампонажных растворов при цементировании нефтяных и газовых скважин, и может быть использована в нефтедобывающей, газодобывающей промышленности, строительстве и других областях деятельности, содержащая, мас.%: портландцемент тампонажный 65,9-69,5; водорастворимый полимер 0,1-0,5; комплексная минеральная добавка - КМД-СО следующего химического состава, мас.%: SiO 55,0-70,0; AlO 16,0-25,0; FeO 1,0-4,0; СаО 10,0-20,0; MgO 0,1-3,5; NaO 0,1-1,4; KO 0,2-3,5; TiO 0,6-1,5 с размером частиц не более 500 мкм - остальное [RU 2399643 С1, МПК С09К 8/467, опубл. 20.09.2010]. Тампонажная смесь позволяет уменьшить плотность тампонажного раствора до уровня 1200-1250 кг/м, повышает адгезионную способность и обладает низкой фильтрацией.
Недостатком известной цементной тампонажной облегченной смеси является недостаточная прочность камня в сравнении с заявляемой тампонажной смесью.
3
Известна облегченная тампонажная смесь, предназначенная для крепления нефтяных и газовых скважин с аномально низким пластовым давлением, а именно к облегченным тампонажным смесям с высокими изолирующими свойствами, содержащая, мас.%: портландцемент тампонажный 51,50-64,54; микрокремнезем конденсированный МК-85 21,52-34,34; хлорид кальция 10,30-10,33; суперпластификатор полипласт СП-1 2,57-2,58; натросол 250 EXR 1,03-1,29 [RU 2470979 С1, МПК С09К 8/473, опубл. 27.12.2012]. Облегченная тампонажная смесь характеризуется плотностью раствора 1300 кг/м, высокой седиментационной устойчивостью и минимальным значением водоотдачи.
Недостатком известной облегченной тампонажной смеси является высокое значение растекаемости и минимальные значения пределов прочности.
Известен облегченный изоляционный тампонажный материал, предназначенный для ликвидации зон катастрофических поглощений промывочной жидкости при бурении и ремонте нефтегазовых скважин содержащий, мас.%: портландцемент тампонажный 21,45-28,07; алюмосиликатные полые микросферы 5,35-9,85; низкоколлоидный бентонитовый глинопорошок 5,63-9,14; полиакриламид 0,43-0,56; экоцел 1,00-2,00, хлорид кальция 5,22-8,49; вода - остальное [RU 2448999 С1, МПК С09К 8/467, опубл. 27.04.2012]. Облегченный изоляционный тампонажный материал характеризуется низкими значениями водоотдачи и сроками загустевания.
Недостатком известного облегченного изоляционного тампонажного материала является минимальное значение растекаемости.
Известен тампонажный раствор низкой плотности, предназначенный для крепления боковых стволов нефтяных, газовых и водяных скважин в условиях повышенных рисков поглощений тампонажных растворов, содержащий, мас.%: портландцемент ПЦТ I-G - 56,0; MICRODUR R-U - 30,0; стеклянные полые микросферы 3М™ HGS4000 - 14,0; Пенетрон Адмикс - 2,0 сверх 100%, замедлитель сроков схватывания CR-221 - 0,3 сверх 100%; понизитель водоотдачи CFL-160 - 0,2 сверх 100%; пеногаситель D-air 5000 - 0,05 сверх 100%; вода - 70,0 сверх 100% [RU 2652040 С1, МПК С09К 8/473, опубл. 24.04.2018]. Тампонажный раствор характеризуется низкой плотностью, удовлетворительной растекаемостью и отсутствием водоотделения.
Недостатком известного тампонажного раствора низкой плотности является низкая активность вяжущего вещества, характеризующая недостаточной прочностью при умеренных температурах.
3
Известен цемент тампонажный облегченный стабилизированный (ЦТОС-3 по ТУ 5734-001-74364232-2006), предназначенный для цементирования обсадных колонн нефтяных и газовых скважин с низкими пластовыми давлениями, при положительных температурах до 120°С, с плотностью раствора 1280-1320 кг/м. Цемент тампонажный облегченный стабилизированный характеризуется низкой плотностью раствора и умеренной растекаемостью.
Недостатком известного цемента тампонажного облегченного стабилизированного является низкое значение прочностных характеристик при низких температурах.
Наиболее близким по компонентному составу и применению является облегченная тампонажная смесь, предназначенная для цементирования обсадных колонн газовых, газоконденсатных или нефтяных скважин, осложненных наличием слабосвязанных, склонных к гидроразрыву пород содержащая, мас.%: портландцемент тампонажный 72,7-81,0, алюмосиликатные микросферы 11,7-14,6, микрокремнезем конденсированный неуплотненный МК-85 4,9-9,7, гранулированный хлорид кальция 2,4-3,1 [RU 2255205 С1, Е21В 33/138 (2000.01), опубл. 27.06.2005]. Известная облегченная тампонажная смесь характеризуется низкой скоростью фильтрации.
3
Недостатком известной облегченной тампонажной смеси является более низкое значение предела прочности камня к деформации и отсутствие возможности приготовления облегченного тампонажного раствора плотностью 1300 кг/м с сопоставимыми параметрами камня заявляемого технического решения.
3
Техническая проблема, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении качества цементирования интервалов скважины обусловленных наличием проницаемых пластов с низким градиентом гидроразрыва (менее 0,0140 МПа/м), путем разработки, тампонажной смеси с плотностью раствора 1300±20 кг/м обладающей оптимальными физико-механическими свойствами раствора и камня.
Техническим результатом является создание тампонажной смеси обеспечивающей повышение качества крепления скважин путем улучшения физико-механических свойств тампонажного раствора и формируемого из него камня.
Указанный технический результат достигается тем, что тампонажная смесь содержит портландцемент тампонажный, алюмосиликатные микросферы, ультрадисперсный порошкообразный материал, новым является то, что в качестве ультрадисперсного порошкообразного материала используют микрокремнезем конденсированный или микронизированный цемент и дополнительно тампонажная смесь содержит стеклянные микросферы при следующем соотношении указанных сухих компонентов, мас.%: портландцемент тампонажный - 67,00-75,00; алюмосиликатные микросферы - 14,00-20,00; стеклянные микросферы - 4,00-7,00; микрокремнезем конденсированный МК-85 или микронизированный цемент - 4,00-10,00.
Достижение указанного технического результата обеспечивается за счет определенного сочетания компонентов (количественного и качественного) в заявляемой тампонажной смеси и совокупности необходимых физико-химических процессов, происходящих при формировании камня.
Облегчающими веществами в заявляемой смеси являются стеклянные и алюмосиликатные микросферы. Благодаря сочетанию двух видов микросфер обеспечивается требуемая плотность.
Микрокремнезем конденсированный МК-85 в аморфной форме или микронизированный цемент в заявляемой смеси обеспечивают стабилизацию показателей тампонажного раствора и являются инициатором сокращения периода гидратации тампонажного камня.
3
Определенное соотношение вышеуказанных компонентов в заявляемой тампонажной смеси позволяет приготовить облегченный тампонажный раствор, обладающий плотностью 1300±20 кг/м, обладающий высокой седиментационной устойчивостью и ускоренным набором прочности камня. Следовательно, использование заявляемой смеси позволяет решить техническую проблему повышения качества цементирования обсадных колонн, перекрывающих интервалы проницаемых пластов с низким градиентом гидроразрыва (менее 0,0140 МПа/м).
Для приготовления предлагаемой тампонажной смеси использовали следующие компоненты:
- портландцемент тампонажный по ГОСТ 1581-96, производитель ОАО «Сухоложскцемент»;
3
- алюмосиликатные микросферы по ТУ 5712-010-80338612-2008, характерными свойствами являются низкая истинная плотность 0,73-0,75 г/см;
3
- стеклянные микросферы по ТУ 5759-039-80338612-2015, характерными свойствами являются низкая истинная плотность 0,35-0,39 г/см;
- микрокремнезем конденсированный МК-85 по ТУ 08.91.19-001-36941824-2019 - ультрадисперсный порошкообразный материал, основным компонентом является диоксид кремния аморфной модификации. В качестве альтернативной добавки возможно использование микронизированного цемента (например: ультрацемент-10 по ТУ 5739-019-56864391-2010, производитель ЗАО «Полицелл»; MIKRODUR Dyckerhoff по ТУ 5735-001-17466563-09, производитель SLK Cement), который представляет собой цемент тонкого измельчения с размером частиц от 0,2 до 15 мкм, при среднем значении 4-5 мкм.
Определение физико-механических свойств раствора и камня определялось в соответствии с ГОСТ 26798.1-96 «Цементы тампонажные Методы испытаний». Плотность раствора определялась пикнометром, растекаемость - формой-конусом, водоотделение - в двух цилиндрах объемом 250 мл. Определение времени загустевания раствора выполнялось на консистометре ZM 1002 (фирма ООО НПК «ЗИП-Магнитоника»). Хранение образцов тампонажного камня при температурах 22°С производилось в камере твердения 1910 (фирма «Chandler Engineering»), а определение предела прочности при изгибе и сжатии определялось на пресс-машине (фирма «Controls»). Скорость набора прочности камня определялось с использованием ультразвукового анализатора SGSA (фирма «Chandler Engineering»).
Тампонажную смесь в лабораторных условиях готовили следующим образом
В определенных соотношениях сухие компоненты смешивают до единой гомогенизации смеси. Далее смесь затворяют технической водой в лабораторном смесителе СЛ-1 согласно ГОСТ 26798.1-96. По окончании затворения определяют технологические свойства полученного раствора и сформированного камня.
3
Пример. Для приготовления раствора предлагаемой смеси (таблица, состав 1) необходимо 72 мас.% ПЦТ 1-50; 17 мас.% алюмосиликатные микросферы; 4 мас.% стеклянные микросферы; 7 мас.% микрокремнезем конденсированный МК-85, взвешенные компоненты перемешать до получения гомогенной смеси. Как указано выше смесь затворяют технической водой в лабораторном смесителе СЛ-1. После перемешивания в течение трех минут определяют плотность (кг/м), растекаемость (мм), водоотделение (мл) и время загустевания до 30 Вс (мин) полученного раствора. Оставшуюся часть раствора заливают в формы-балочки и ячейку ультразвукового анализатора для определения предела прочности камня (МПа) при изгибе и сжатии (хранят при температуре 22°С в течение 48 часов) и скорости набора прочности.
3
Приготовленный раствор имеет плотность 1320 кг/м, растекаемость 201 мм, водоотделение 0,0 мл, время загустевания до 30 Вс составляет 299 мин, предел прочности камня при изгибе составляет 2,75 МПа и при сжатии 8,35 МПа. По истечении 12 ч прочность при сжатии по анализатору составила 1,48 МПа.
Примеры приготовления и испытания остальных составов, приведенных в таблице, аналогичны вышеописанному.
Как видно из таблицы, заявляемая тампонажная смесь, включающая портландцемент тампонажный, алюмосиликатные и стеклянные микросферы, микрокремнезем конденсированный МК-85 или микронизированного цемента, при указанном соотношении компонентов превосходит известные аналоги, а именно характеризуется обладающей высокой седиментационной устойчивостью, ускоренным набором прочности камня и конечной прочностью.
С целью выявления отличительных признаков заявляемой тампонажной смеси корректировали процентное соотношение компонентов. В случаях запредельного изменения соотношений компонентов отмечается ухудшение физико-механических свойств раствора и камня. Уменьшение доли вяжущего вещества (портландцемента) в составе смеси отрицательно влияет на показатель прочности камня. Увеличение доли алюмосиликатных микросфер с последующим уменьшением доли стеклянных микросфер в составе смеси снижает седиментационную устойчивость раствора (увеличение значений водоотделения и уменьшение значений прочности). Однако при увеличении доли стеклянных микросфер с последующим уменьшением доли алюмосиликатных микросфер в составе смеси отрицательно влияет на показатели растекаемости и времени загустевания. Увеличение доли микрокремнезема конденсированного МК-85 или микронизированного цемента к базовому вяжущему отрицательно сказывается на значениях растекаемости и времени загустевания.
Заявляемые соотношения компонентов позволяют получить необходимый технический результат и обеспечить необходимую плотность, седиментационную устойчивость, время загустевания раствора и прочность камня для безаварийного выполнения работ по цементированию.
Таким образом, заявляемая тампонажная смесь позволит повысить качество крепления скважин при цементировании обсадных колонн, перекрывающих интервалы проницаемых пластов с низким градиентом гидроразрыва (менее 0,0140 МПа/м).