ТАМПОНАЖНЫЙ РАСТВОР НИЗКОЙ ПЛОТНОСТИ
LOW-DENSITY GROUTING MORTAR

Изобретение относится к строительству нефтяных, газовых и водяных скважин, в частности к тампонажным смесям, предназначенным для крепления обсадных колонн, разобщения водоносных, нефтегазоносных пластов и изоляции зон интенсивного (полного) поглощения.
Для успешного разобщения водоносных и нефтегазоносных пластов в процессе крепления обсадных колонн, в выработанных пластах с аномально низким пластовым давлением (АНПД), изоляции зон интенсивных поглощений первостепенное значение имеет правильный подбор необходимой плотности тампонажных смесей и их показателей структурно-механических свойств в статических и динамических условиях. Поэтому важно, чтобы тампонажная смесь с момента поступления в каналы проницаемого и поглощающего пласта обладала необходимыми заданными значениями плотности, пластической прочности, напряжения сдвига.
3
Известны облегченные тампонажные растворы, включающие вяжущее, добавки и воду (см. «Справочное руководство по тампонажным материалам», В.С.Данюшевский и др.- М.: «Недра», 1987 г., стр.102-107), предназначенные для цементирования скважин в условиях низких пластовых давлений. Комбинируя количество добавки (бентонит, диатомит, фильтроперлит, опока и др.) по отношению к вяжущему, ее плотность, водотвердое отношение можно получать тампонажные растворы плотностью от 1,60 до 1,35 г/см с удовлетворительной прочностью цементного камня.
Недостатком известных облегченных растворов является:
- невозможность снижения их плотности без потери механической прочности;
- низкие проникающие и изоляционные свойства в проницаемых пластах.
На месторождениях в выработанных пластах требуются тампонажные растворы с более низкой плотностью, которые можно получить с добавками, имеющими воздушные или газовые полости (вспученный перлитовый песок, вспученный вермикулитовый песок, вспученное стекло, полые микросферы и др.).
3
3
Известен легкий тампонажный материал по патенту RU №2256774, применяемый в качестве строительного материала, в том числе для цементирования нефтяных, газовых и геотермальных скважин, имеющий плотность 1,1-1,4 г/см, состоящий из смеси одной из марок известного цемента и легковесного наполнителя, который состоит из композиции, содержащей полые алюмосиликатные микросферы, каолин и поверхностно-активный гидрооксид алюминия, в качестве одной из марок известного цемента используют портландцемента марки ПЦТ 1-50 или ПЦТ 1-100. Полые алюмосиликатные микросферы получают гидросепарацией водной суспензии золы в золоотвальном водоеме, которые имеют размеры 40-100 мкм и насыпной вес 0,3-0,5 г/см.
Недостатками данного легкого тампонажного материала является:
3
- невозможность приготовления раствора плотностью менее 1,1 г/см;
- очень низкая прочность и устойчивость тампонажного камня.
Наиболее близким к предлагаемому решению является тампонажный раствор по Авт.св. СССР №1640367, включающий вяжущее - тампонажный портландцемент (ПЦТ), газонаполненные стеклянные микросферы, аппретированные аминопропилтриэтоксисиланом (АПСМС), суперпластификатор НКНС-1 «40-03» на основе нейтрализованного гидроксидом натрия продукта конденсации сульфированных ароматических углеводородов газойлевых фракций крекинга и пиролиза нефти, гидрофобизатор ГМЖ - водная суспензия омыленного гидроксидом натрия и известкованного хлоридом кальция микробного жира и воду, при следующем соотношении ингредиентов, масс.%: ПЦТ - 44,1-69,3, АПСМС - 3,5-13,2, суперпластификатор НКНС-1 «40-03» - 0,3-0,5, гидрофобизатор ГМЖ - 0,4-0,7, вода-26,0-41,9.
Недостатком известного тампонажного раствора является:
3
2
- невозможность его приготовления плотностью ниже 1,0 г/см, так как тампонажный цемент имеет относительно малую удельную поверхность 2500-3500 см/г и при добавках избыточной воды и микросфер из тампонажного раствора не образуется камня или резко снижается его механическая прочность;
- низкая проникающая способность.
Технической задачей предлагаемого изобретения является расширение области применения путем снижения плотности тампонажного раствора при одновременном увеличении подвижности и проникающей способности его в начальный период и повышения адгезионного сцепления камня с горной породой.
3
Технический результат направлен на создание облегченного тампонажного раствора плотностью до 0,75 г/см с определенными структурно-механическими и закупоривающими свойствами раствора, прочностными и адгезионными характеристиками камня, позволяющими обеспечить эффективное разобщение водоносных и нефтеносных пластов, изоляцию высокопроницаемых пластов с интенсивными (катастрофическими) поглощениями бурового раствора, в том числе на истощенных месторождениях с АНПД.
2
Техническая задача решается тем, что тампонажный раствор низкой плотности содержит вяжущее и легковесный наполнитель, суперпластификатор С-3, нитрилотриметиленфосфоновую кислоту - НТФ, при этом он в качестве вяжущего содержит высоководопотребное тонкомолотое вяжущее с удельной поверхностью 20000-25000 см/г «Микродур» или ИНТРАЦЕМ, а в качестве легковесного наполнителя - полые стеклянные микросферы (ПСМС) при следующих соотношениях компонентов к тампонажному портландцементу, вес.ч.:
Высоководопотребное
тонкомолотое вяжущее
«Микродур» или ИНТРАЦЕМ 100
Полые стеклянные микросферы 10-100
Нитрилотриметиленфосфоновая
кислота - НТФ 0,07-0,25
Суперпластификатор С-3 0,2-1,3
Вода 150-320
2
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в тампонажном растворе низкой плотности используются легковесный наполнитель - полые стеклянные микросферы и высоководопотребное тонкомолотое вяжущее с удельной поверхностью 20000-25000 см/г «Микродур» или ИНТРАЦЕМ, что позволяет повысить качество крепления обсадных колонн, разобщения водогазонефтеносных пластов, изоляции поглощающих пластов за счет снижения плотности тампонажной смеси до требуемой величины, обеспечения необходимой подвижности и высокой проникающей способности смеси в начальный период проведения крепежных и изоляционных работ, повышения прочности адгезионного сцепления тампонажного камня со стенками поглощающих каналов в условиях нормальных и повышенных температур.
Полые стеклянные микросферы в предлагаемом тампонажном растворе низкой плотности используют в качестве облегчающей добавки и легковесного наполнителя.
3
3
Полые стеклянные микросферы представляют собой легкий сыпучий порошок однородного белого цвета, состоящий из тонкостенных газонаполненных отдельных полых частиц сферической формы, заполненных углекислым газом или азотом, размером преимущественно от 10 до 60 мкм. Полые стеклянные микросферы производятся из натриевоборосиликатного стекла Новгородским заводом «Стекловолокна», АО «НПО Стеклопластик» и в отличие от аппретированных, используемых в прототипе, имеют истинную плотность 0,3-0,4 г/см против 0,7-0,9 г/см.
Стеклянные микросферы характеризуются не только низкой плотностью, но и высокой удельной прочностью на объемное сжатие. Полые стеклянные микросферы обладают большой удельной поверхностью и размерами частиц, меньшими размеров частиц цемента. Поэтому они более активно адсорбируют жидкость затворения на начальном этапе гидратации, равномерно распределяясь в объеме раствора (камня), образуя композитный материал.
Кроме снижения плотности и повышения закупоривающих свойств тампонажного раствора полые стеклянные микросферы обеспечивают высокое качество изоляции поглощений за счет увеличения адгезионного сцепления камня со стенками поглощающих каналов, которое возникает у предварительно напряженного камня при изменении давления в процессе проведения изоляционных работ.
Из известных тонкомолотых вяжущих наиболее эффективными являются Микродур или ИНТРАЦЕМ, получаемые на основе портландцемента.
В предлагаемом тампонажном растворе низкой плотности в качестве высоководопотребного тонкодисперсного вяжущего используют особотонкомолотые цементы, например «Микродур» или «ИНТРАЦЕМ».
2
Вяжущее «Микродур» производится посредством воздушной сепарации пыли, образующейся при помоле цементного клинкера, технология его изготовления разработана и освоена специалистами фирмы «INTRA - BAVGmbH» совместно со специалистами концерна «Dyckerhoff» и защищена Европейским патентом. Диаметр зерен «Микродур» в 6-10 раз и более меньше частиц портландцемента. Благодаря малому размеру частиц (диаметр зерен ≤2-6 мкм), высокой удельной поверхности (20000 -25000 см/г) и технологично подобранному гранулометрическому составу растворы «Микродур» обладают текучестью, сравнимой с текучестью воды, даже при минимальном количестве жидкости затворения, что позволяет суспензии «Микродура» глубоко проникать в низкопроницаемую горную породу. Время истечения (условная вязкость) суспензии в возрасте до 3 часов колеблется от 28 до 30 сек.
2
Технология изготовления особотонкомолотого цемента «ИНТРАЦЕМ», близкого по своим технологическим параметрам к «Микродуру», разработана РХТУ им. Д.И.Менделеева. Благодаря малому размеру частиц (менее 4-5 мкм), высокой удельной поверхности (>10000 см/г) и нормированному гранулометрическому составу и введению специальных добавок «ИНТРАЦЕМ» образует стабильные водные дисперсии с высокой проникающей способностью, что позволяет растворам «ИНТРАЦЕМ» проникать в поры и трещины размером менее 0,1 мм, уменьшая открытую пористость материалов в 2-15 раз и увеличивая их механическую прочность.
2
2
В отличие от прототипа использование тонкодисперсного вяжущего «Микродур» или «ИНТРАЦЕМ» позволяет в большем объеме связать воду затворения и уплотнить структуру камня и обеспечить его повышенную флюидоупорность и долговечность. Это обусловлено тем, что тонкодисперсные вяжущие способны связывать воду во много раз больше, так как водотвердое отношение которых их может достигать 3,0-5,0 при удельной поверхности 20000-25000 см/г против 0,3-0,5 обычных тампонажных цементов, имеющих удельную поверхность 2500-3500 см/г.
Оптимальное содержание полых стеклянных микросфер составляет 10-110 вес.% к весу вяжущего. При увеличении содержания полых стеклянных микросфер более ПО вес.% снижается прочность камня. Добавка микросфер менее 10 вес.% приводит к повышению плотности раствора.
Оптимальным содержанием основных реологических компонентов в заявляемом тампонажном растворе низкой плотности является - НТФ от 0,07 до 0,25 вес.% и суперпластификатора С-3 от 0,2 до 1,3 вес.%. При этом добавка НТФ менее 0,07 вес.% значительно сокращает скорость загустевания, а увеличение добавки свыше 0,25 вес.% приводит к замедлению процесса схватывания и снижению прочности камня в первоначальный период. Содержание суперпластификатора С-3 более 1,3 вес.% приводит к снижению стабильности раствора и к его расслаиванию, а при содержании менее 0,2 вес.% растекаемость раствора уменьшается, т.е. раствор становится непрокачиваемым.
В промысловых условиях тампонажный раствор низкой плотности готовят двумя способами.
При первом способе готовится сухая тампонажная смесь вяжущего и полых стеклянных микросфер с использованием, в условиях производственной базы, смешивающих устройств и силосных емкостей. В условиях буровой для приготовления сухой смеси используются цементовозы и цементо-смесительные машины. После приготовления сухую тампонажную смесь затворяют обычным способом на предварительно приготовленном растворе с добавкой суперпластификатора C-3 и НТФ и закачивают в скважину.
По второму способу, при наличии осреднительных машин типа АСМ-25 или УСО-20, тампонажную смесь готовят следующим способом. Вначале в осреднительную емкость набирают необходимое количество воды, в которой растворяют расчетное количество суперпластификатора C-3 и замедлителя НТФ. После чего при постоянном перемешивании в данную осреднительную емкость добавляют расчетное количество полых стеклянных микросфер, а затем с помощью цементовозов или смесительных машин вяжущее до необходимой плотности тампонажного раствора. Затем раствор закачивают в скважину.
Определение основных свойств раствора и камня проводят в лаборатории в соответствии с ГОСТ 1581-96 «Цементы тампонажные» и ГОСТ 26798.1-96 «Методы испытаний».
Плотность, растекаемость, водоотделение раствора определяют при 25°C и атмосферном давлении. Для условий умеренных температур загустевание раствора определяют при 75°C и атмосферном давлении. Для условий АВПД при режиме температуры до 90°C.
Растекаемость определяют по конусу АзНИИ, плотность пикнометром, водоотделеиие в мерном цилиндре, время загустевания на консистометрах ZM-1002 и КЦ-3. Прочность тампонажного камня на сжатие на испытательном стенде CHANDLER (Модель 4207D), газопроницаемость на приборе GFS-830-SS - CHANDLER.
При проведении лабораторных исследований были использованы:
- водопроводная вода;
- высоководопотребное тонкомолотое вяжущее (Микродур 261R-X или ИНТРАЦЕМ);
- полые стеклянные микросферы (ПСМС) по ТУ 6-48-108-94;
- суперпластификатор С-3;
- нитрилотриметиленфосфоновая кислота - НТФ.
Пример
При проведении испытаний (см. состав 14 таблица 1) вначале готовят жидкость затворения с добавкой 0,8 г суперпластификатора С-3, 0,17 г НТФ на 200 г воды. Затем при постоянном перемешивании последовательно вводят 50 г ПСМС и 100 г Микродура - 261R-X. После перемешивания раствора в течение 3-x минут замеряют его растекаемость и плотность и заливают тампонажный раствор в консистометр (без давления) для определения загустевания при 90°C. Кроме того, формируют образцы в заданных условиях для определения прочности тампонажного камня на сжатие.
3
Тампонажный раствор низкой плотности предлагаемого состава с содержанием указанных компонентов в заявляемых пределах обладает пониженной плотностью (0,88 г/см), нормативным значением растекаемости (200 мм) (см. состав 14 таблица 1), временем прокачиваемое 2 часа 45 минут и прочностью на сжатие 4,9 МПа через 2 суток твердения при температуре 90°C. Значения растекаемости и времени прокачиваемости позволяют обеспечить процесс доставки тампонажного раствора низкой плотности на значительную глубину.
Применение предлагаемого тампонажного раствора низкой плотности позволит:
- расширить область применения и повысить надежность изоляции поглощающих пластов в условиях АНПД на истощенных месторождениях;
- снизить плотность тампонажного раствора ниже плотности жидкости затворения;
- повысить прочность адгезионного сцепления камня с горной породой;
- сократить затраты времени и расход материалов на ликвидацию поглощений бурового раствора и технологических жидкостей.
Использование заявляемого тампонажного раствора низкой плотности позволит сократить затраты времени и расход материалов на работы, связанные с разобщением водоносных и нефтеносных пластов и ликвидацию поглощений бурового раствора.