Тампонажный состав
GROUTING COMPOSITION

Изобретение относится к области цементирования обсадных колонн в газовых, газоконденсатных и нефтяных скважинах в интервалах пластов каменной соли (галита) и межсолевых проницаемых пород, содержащих весьма крепкие рассолы (с общей минерализацией до 450 г/л), например, кембрийские и венд-рифейские отложения месторождений Восточной Сибири.
Известен тампонажный состав для крепления скважин в соленосных отложениях, приготавливаемый путем затворения тампонажного цемента насыщенным раствором хлорида натрия с добавлением 3-5% хлорида кальция для повышения скорости схватывания и твердения (Булатов А.И., Мариампольский Н.А. Регулирование технологических показателей тампонажных растворов. - М.: Недра, 1988. - С.58-60, 224 с).
3
Недостатками известного тампонажного состава являются: высокая плотность (1990-2010 кг/м); низкая растекаемость; отсутствие расширяющей добавки, что не позволяет обеспечить напряженный контакт тампонажного камня с солевой породой и создает риски потери герметичности в затрубном пространстве.
Известен газоцементный тампонажный состав с повышенными изолирующими способностями, позволяющий получать прочный, непроницаемый камень, содержащий, мас.ч.: портландцемент тампонажный ПЦТ 1-50 - 100,0; хлористый кальций - 2,0-8,0; Неонол АФ 9-4 - 0,05-0,20; гидроксиэтилцеллюлозу Натросол 250 MX - 0,1-0,3; алюминиевую пудру ПАП-2 - 0,05-0,20; лимонную кислоту - 0,1-0,3; суперпластификатор на основе меламин сульфоната NTPF-17 - 0,05-0,15; воду - 45,0-60,0 [RU 2691427 С1, МПК С09K 8/473, Е21В 33/138, опубл. 13.06.2019].
Недостатками известного газоцементного тампонажного состава являются невозможность применения в соленосных отложениях, из-за низкой минерализации жидкости затворения и растворения каменной соли в период ожидания затвердевания цемента (ОЗЦ) с последующим образованием зазоров на контакте с цементным камнем, а также в условиях полиминеральной агрессии пластовых вод, вследствие формирования не стойкого к воздействию полиминеральных вод высокой степени минерализации камня.
3
Наиболее близкой по составу является облегченная тампонажная смесь, предназначенная для цементирования протяженных (более 2500 м) обсадных колонн в одну ступень одним составом с плотностью раствора 1600±20 кг/м по всему интервалу размещения, включающая, мас. %: портландцемент тампонажный - 47,83-48,77; золу уноса ТЭЦ - 44,94-47,8; микрокремнезем МК-85 - 0,96-2,93; регулятор структурообразования - гидроксиэтилцеллюлозу Натросол 250 - 0,29-0,49; нитрилотриметилфосфоновую кислоту НТФК - 0,01-0,02; хлорид натрия -1,95-3,83 [RU 2642897 С1, МПК С09K 8/42, Е21В 33/138, опубл. 29.01.2018].
Недостатками известной смеси являются: невозможность применения для цементирования обсадных колонн в солевых интервалах из-за низкой минерализации водной фазы; отсутствие расширяющей добавки для создания напряженного контакта тампонажного камня с солевой породой. Низкая минерализация жидкой фазы тампонажного раствора облегченной смеси приводит к растворению каменной соли в период твердения раствора и возникновению зазоров на контакте с солевой породой, которые не устраняются в последующем, ввиду отсутствия расширения при твердении в камень. Тем самым не обеспечивается герметичность в интервале солевых пород, что может быть причиной водопроявлений или межпластовых перетоков. Кроме того, формируемый камень является некоррозионно-стойким, и возникновение указанных осложнений возможно уже в связи с образованием флюидопроводящих каналов при разрушении камня.
Сочетание указанных недостатков не позволяет обеспечить надежную изоляцию водоносных интервалов применительно к условиям месторождений Восточной Сибири, для которых характерно наличие пластов каменной соли и межсолевых проницаемых пород, содержащих весьма крепкие рассолы.
Техническая проблема, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении качества цементирования обсадных колонн в интервалах пластов каменной соли (галита) и межсолевых проницаемых пород, содержащих весьма крепкие рассолы (с общей минерализацией до 450 г/л).
Техническим результатом является создание тампонажного состава с высокой изолирующей способностью, достигаемой созданием герметичного, уплотняемого во времени контакта камня с солевыми породами, снижением возможности контракционного и диффузионного поглощения пластовой воды камнем и формированием камня, стойкого к агрессивному воздействию весьма крепких рассолов.
Указанный технический результат достигается тем, что тампонажный состав содержит смесь сухих компонентов - тампонажного портландцемента бездобавочного высокой сульфатостойкости ПЦТ I-G-CC-1, кварца молотого пылевидного марки «Б», золы-уноса ЗУ КУК-Б-3, микрокремнезема конденсированного МК-85, и добавки - пластификатор на основе поликарбоксилатных полимеров WellFix Р-100, хлорид кальция, алюминиевую пудру ПАП-1, Неонол АФ 9-4, гидроксиэтилцеллюлозу Натросол 250 KR, 18%-ный раствор хлорида натрия при следующем соотношении указанных сухих компонентов, мас.ч: тампонажный портландцемент бездобавочный высокой сульфатостойкости ПЦТ I-G-CC-1 - 48-52; кварц молотый пылевидный марки «Б» - 23-26; зола-уноса ЗУ КУК-Б-3 - 20-22; микрокремнезем конденсированный МК-85 - 3-4, причем содержание добавок на 100 мас.ч. смеси указанных сухих компонентов составляет, мас. %: пластификатор на основе поликарбоксилатных полимеров WellFix Р-100 - 0,05-0,10; хлорид кальция - 2-4; алюминиевая пудра ПАП-1 - 0,03-0,10; Неонол АФ 9-4 - 0,05-0,10; гидроксиэтилцеллюлоза Натросол 250 KR - 0,05-0,10; 18%-ный раствор хлорида натрия - 53.
Достижение указанного технического результата обеспечивается за счет определенного сочетания компонентов (количественного и качественного) в заявляемом тампонажном составе и совокупности необходимых физико- химических процессов, происходящих при формировании камня и его контакте с крепким рассолом.
Благодаря высокой минерализации жидкости затворения по хлориду натрия значительно сокращается растворение каменной соли (галита) на стенках скважины в период ОЗЦ. Также снижению растворения каменной соли способствует дополнительная минерализация жидкости затворения хлоридом кальция, к тому же хлорид кальция ускоряет схватывание и затвердевание тампонажного раствора и, соответственно, сокращается время активного взаимодействия тампонажного раствора и солевой породы.
Соотношение тампонажного портландцемента и минеральных добавок подобрано таким образом, чтобы в процессе твердения раствора получить структуру тампонажного камня с определенной фильтрационной проницаемостью. Тем самым предотвращается образование в поверхностном слое камня зоны с полупроницаемыми свойствами, а в совокупности с достаточной минерализацией водной фазы - предотвращается возникновение осмотического перетока и разрушение камня при контакте с пластовыми водами высокой степени минерализации.
Кроме того, невысокое содержание вяжущего материала в смеси снижает возможность значительного контракционного поглощения пластовой воды тампонажным камнем на начальной стадии твердения, а наличие в МК- 85 кремнезема в аморфном виде позволяет связывать образующийся при гидратации (хотя и в меньшем объеме) гидроксид кальция в стойкие низкоосновные гидросиликаты кальция, не подверженные выщелачивающему действию компонентов пластовой воды. Отсутствие «свободного» гидроксида кальция изначально предотвращает образование в большом объеме коллоидных частиц гидроксида магния при взаимодействии камня с пластовой водой, что является дополнительным фактором, исключающим формирование зоны со свойствами осмотической перегородки.
Алюминиевая пудра ПАП-1 за счет газовыделения обеспечивает создание внутреннего давления в тампонажном растворе/камне, что снижает возможность контракционного поглощения пластовой воды камнем при общем снижении гидростатического давления, способствует формированию напряженного, уплотняемого во времени контакта на границе «тампонажный раствор/камень - солевая порода». Для равномерного распределения алюминиевой пудры в объеме тампонажного раствора и предотвращения солюбилизации газовых пузырьков используются стабилизирующая добавка гидроксиэтилцеллюлоза Натросол 250 KR и неионогенное поверхностно- активное вещество Неонол АФ 9-4.
Пластификатор на основе поликарбоксилатных полимеров является вспомогательным компонентом, обеспечивающим приготовление на основе минерализованного тампонажного состава с необходимыми реологическими свойствами и растекаемостью.
Для приготовления тампонажного состава использовали следующие компоненты:
тампонажный портландцемент бездобавочный высокой сульфатостойкости ПЦТI-G-CC-1 поГОСТ 1581-96;
- кварц молотый пылевидный марки «Б» по ГОСТ 9077-82;
- зола-уноса топливных электростанций ЗУ КУК-Б-3, III вида по ГОСТ 25818-2017;
- микрокремнезем конденсированный МК-85 по ТУ 5743-048-02495332-1996;
- пластификатор на основе поликарбоксилатных полимеров WellFix Р- 100 по ТУ 2458-015-14023401-2012;
- хлорид кальция по ГОСТ 450-77;
- алюминиевая пудра ПАП-1 по ГОСТ 5494-95;
- Неонол АФ 9-4 по ТУ 2483-077-05766801-98;
- гидроксиэтилцеллюлоза Натросол 250 KR по ТУ 2231-001-21095737-2005;
- хлорид натрия по ГОСТ 4233-77.
Тампонажный состав в лабораторных условиях готовили следующим образом.
3
Вначале смешивались в заданных соотношениях тампонажный портландцемент бездобавочный высокой сульфатостойкости ПЦТ I-G-CC-1, кварц молотый пылевидный марки «Б», зола-уноса ЗУ КУК-Б-3, микрокремнезем конденсированный МК-85 и смесь перемешивалась до гомогенного состояния. Жидкость затворения для тампонажного состава приготавливалась путем последовательного растворения в воде NaCl до достижения раствором плотности 1,12 г/см, вещества Неонол АФ 9-4, пластификатора WellFix Р-100, гидроксиэтилцеллюлозы Натросол 250 KR, СаСГ и алюминиевой пудры ПАП-1.
Затворение тампонажных растворов заявляемого состава осуществлялось по методике ГОСТ 26798.1-96 «Цементы тампонажные. Методы испытаний».
Для оценки прочности сцепления галита с тампонажным камнем заявляемого состава в качестве модели солевой породы использовались образцы цилиндрической формы (диаметром 29 мм и высотой 40 мм), полученные спрессовыванием измельченного природного галита при давлении 41,4 МПа.
После измерения массы, высоты и диаметра солевой образец размещался в середину собранной и загерметизированной (в нижней части) формы-конуса для определения сроков схватывания. Тампонажный раствор заливался в оставшееся пространство до уровня, равного высоте солевого образца. После этого форма-конус закрывалась верхней металлической крышкой, сборка по верхней и нижней крышкам дополнительно зажималась струбциной и помещалась в холодильную камеру и выдерживалась 1 сутки при температуре (10±2)°С.
По окончании хранения фиксировалось состояние образца с тампонажным камнем в форме-конусе (наличие или отсутствие зазора), определялся предел прочности сцепления, измерялась масса солевого образца, высота и диаметр.
Критериями отсутствия растворения солевого образца тампонажным раствором в процессе твердения и создания напряженного контакта солевой породы с камнем являлись отсутствие зазора между камнем и образцом, сохранение (или некоторое увеличение) массы солевого образца, сохранение его размеров, а также прочность сцепления с камнем.
3
Для определения коррозионной стойкости камня, из тампонажного раствора изготавливались 6 образцов-кубиков по ГОСТ 26798.2-96. Образцы при изготовлении также дополнительно герметизировались. После хранения в холодильной камере в течение 48 ч при температуре (10±2)°С, у двух образцов-кубиков определялся предел прочности при сжатии по ГОСТ 26798.2-96, а остальные размещались в модель пластовой воды и хранились в холодильной камере при температуре (10±2)°С в течение 30 суток. По истечении 30 суток определялся предел прочности камня при сжатии по ГОСТ 26798.2-96 и полученные значения сопоставлялись с исходными. Модель пластовой воды плотностью 1,27 г/см, представляла собой раствор хлоридов кальция (234,0 г/л), натрия (68,4 г/л), магния (51,8 г/л) и калия (2,5 г/л), и соответствовала по составу полиминеральным пластовым водам месторождений Восточной Сибири.
3
Пример. Для приготовления тампонажного раствора (состав 2 в таблице) необходимо взять 530 г 18%-ного водного раствора NaCl (плотностью 1,12 г/см), при перемешивании на магнитной мешалке ввести с промежутками в 5 мин 1,0 г Неонол АФ 9-4, 1,0 г WellFix Р-100, 0,5 г Натросол 250 KR, 40 г СаСl, 1,0 г ПАП-1 и перемешать в течение 10 мин. Готовым водным раствором реагентов затворить 1000 г предварительно приготовленной сухой смеси, состоящей из 480 г ПЦТ I-G-CC-1, 260 г Кварца Б, 220 г ЗУ КУК-Б-3, 40 г МК-85. Затворенный состав перемешивают в лабораторной мешалке в течение трех минут, определяют показатели: плотность, растекаемость тампонажного раствора, заливают его в форму-конус с солевым образцом и в формы-кубики, которые помещают в холодильную камеру и хранят при температуре (10±2)°С в течение 24 ч и 48 ч соответственно.
По истечении указанного времени контакта с тампонажным раствором, солевой образец сохраняет размеры, незначительно увеличивается его масса. Предел прочности сцепления образца галита и камня составляет 1,12 МПа, что указывает на отсутствие растворения солевого образца при твердении тампонажного раствора и формирование напряженного контакта.
Исходные значения предела прочности образцов-кубиков после твердения при температуре (10±2)°С в течение 48 ч составили 3,62 МПа, а после выдержки в модели пластовой воды в течение 30 суток - 11,22 МПа. Таким образом, отсутствие снижения прочности у образцов камня и отсутствие у них дефектов и разрушений после взаимодействия с моделью пластовой воды, указывают на коррозионную стойкость камня заявляемого тампонажного состава.
Примеры приготовления и испытания остальных составов, приведенных в таблице, аналогичны вышеописанному.
Как видно из таблицы, заявляемый тампонажный состав при указанных соотношениях компонентов позволяет приготавливать тампонажный раствор, предотвращающий растворение солевой породы (галита) в период твердения и формировать напряженный контакт камня и солевой породы, а сам камень характеризуется необходимыми прочностными характеристиками и стойкостью к коррозионному воздействию весьма крепкого рассола.
Благодаря указанным свойствам тампонажный состав позволяет обеспечить надежную изоляцию затрубного пространства в интервалах пластов каменной соли (галита) и межсолевых проницаемых пород, содержащих весьма крепкие рассолы с высокой коррозионной активностью, применительно к условиям месторождений Восточной Сибири.