ВЫСОКОСТРУКТУРИРОВАННАЯ ТАМПОНАЖНАЯ СМЕСЬ
HIGH-STRUCTURE GROUTING MIXTURE

Изобретение относится к бурению нефтяных, газовых и водяных скважин, в частности, к тампонажным смесям, предназначенным для изоляции зон интенсивного (полного) поглощения.
Для успешной изоляции зон интенсивных поглощений первостепенное значение имеет правильный подбор показателей структурно-механических свойств тампонажных смесей в статических и динамических условиях. Поэтому важно, чтобы с момента поступления в каналы поглощающего пласта тампонажная смесь обладала необходимыми заданными значениями пластической прочности, напряжения сдвига и плотности.
Известен тампонажный раствор, включающий вяжущее, облегчающую добавку и воду (см. описание авторского свидетельства СССР №1640367 МПК Е21В 33/138, опубл. 07.04.1991, бюллетень №13).
Известный тампонажный раствор предназначен для цементирования скважин в условиях аномально низких пластовых давлений.
Для увеличения прочности цементного камня, при одновременном сохранении цементного теста, известный тампонажный раствор дополнительно содержит суперпластификатор НКНС-1 «40-03» и «гидрофобизатор», в качестве вяжущего тампонажный портландцемент, а в качестве облегчающей добавки полые стеклянные микросферы.
Недостатком известного тампонажного раствора является низкие проникающая и изоляционная способности проницаемых пластов.
Известна тампонажная паста для изоляции зоны поглощения, содержащая вяжущее, полимерную добавку и жидкость затворения в виде водного раствора хлорида кальция (см. «Эффективность применения тампонажных паст для ликвидации зон поглощения». Сер. Бурение, М., ВНИИОЭНГ, 1974, с.43).
В качестве вяжущего известная тампонажная паста содержит цемент, а в качестве полимерной добавки - полиакриламид.
Известная тампонажная паста обладает высокой плотностью и низкими структурно-механическими свойствами, что не обеспечивает эффективность ее применения для изоляции зон интенсивных поглощений, что является основным ее недостатком.
Известна тампонажная смесь, состоящая из вяжущего, полимерной добавки и жидкости затворения в виде водного раствора хлорида кальция (см. описание к авторскому свидетельству СССР №692982, МПК Е21В 33/138, опубл. 25.10.79, бюллетень №39).
Известная тампонажная смесь в качестве вяжущего содержит цемент гипсоглиноземистый, а в качестве полимерной добавки - гипан.
Недостатками известной тампонажной смеси являются:
- нестабильность основных структурно-механических свойств, обусловленная процессом приготовления и закачки;
- высокая плотность и низкая прочность камня.
Известна смесь для изоляции поглощающих пластов в скважине, состоящая из цемента, глинопорошка (бентонит) (см. описание к авторскому свидетельству СССР №212914, МПК Е21В, опубл. 12.03.1968, бюллетень №10). В качестве цемента известная смесь содержит цемент гипсоглиноземистый, а в качестве активизатора структурообразования - двуводный гипс.
Недостатками смеси для изоляции поглощающих пластов являются высокая плотность раствора, низкая прочность и устойчивость тампонажного камня.
Известна тампонажная смесь для изоляции поглощающих пластов, состоящая из цемента, глинопорошка, сернокислого глинозема и воды (см. описание к авторскому свидетельству СССР №480827, МПК Е21В 33/138, опубл. 15.02.78, бюллетень №6).
В качестве цемента известная смесь содержит цемент тампонажный.
Недостатками указанной тампонажной смеси является:
- высокая плотность;
- низкое адгезионное сцепление тампонажного камня с горной породой;
- недостаточная подвижность в начальный период.
Наиболее близкой к предлагаемому решению по составу является тампонажная смесь для изоляции поглощающих пластов, включающая тампонажный цемент, глинопорошок (бентонит), сернокислый глинозем и воду (см. описание к авторскому свидетельству СССР №325346, МПК Е21В 33/138, опубл. 07.01.1972, бюллетень №3).
Недостатками известной тампонажной смеси являются:
- высокая плотность;
- низкое адгезионное сцепление тампонажного камня с горной породой;
- недостаточная подвижность в начальный период.
Технической задачей предлагаемого изобретения является расширение области применения путем снижения плотности тампонажной смеси при одновременном увеличении подвижности смеси в начальный период и повышения адгезионного сцепления камня с горной породой.
3
Технический результат направлен на создание облегченной тампонажной смеси плотностью 1,20-1,30 г/см с определенными структурно-механическими и закупоривающими свойствами раствора, прочностными и адгезионными характеристиками камня, позволяющими обеспечить эффективную изоляцию высокопроницаемых пластов с интенсивными (катастрофическими) поглощениями бурового раствора.
Техническая задача решается тем, что высокоструктурированная тампонажная смесь содержит тампонажный портландцемент, глинопорошок (бентонит), сернокислый глинозем и воду, при этом она дополнительно содержит облегчающую добавку - полые стеклянные микросферы и высоководопотребное тонкомолотое вяжущее «Микродур» или ИНТРАЦЕМ при следующих соотношениях компонентов к тампонажному портландцементу, вес.ч.:
тампонажный портландцемент
100
глинопорошок (бентонит)
25,0-50,0
сернокислый глинозем
0,5-6,0
облегчающая добавка -
полые стеклянные микросферы
5,0-10,0
высоководопотребное
тонкомолотое вяжущее
Микродур или Интрацем
5,0-10,0
вода
195-340
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в высокоструктурированной тампонажной смеси дополнительно используются облегчающая добавка - полые стеклянные микросферы и высоководопотребное тонкомолотое вяжущее Микродур или Интрацем, что позволяет повысить качество изоляции поглощающих пластов за счет снижения плотности тампонажной смеси, обеспечения необходимой подвижности смеси в начальный период проведения изоляционных работ, повышения прочности адгезионного сцепления тампонажного камня со стенками поглощающих каналов в условиях нормальных и повышенных температур.
Полые стеклянные микросферы в предлагаемой высокоструктурированной тампонажной смеси используют в качестве облегчающей добавки.
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» и АО «НПО Стеклопластик».
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 тампонажной смеси добавка полых стеклянных микросфер обеспечивает 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.
2
В предлагаемой высокоструктурированной тампонажной смеси в качестве высоководопотребного тонкодисперсного вяжущего используют особотонкомолотые цементы, например «Микродур» или «ИНТРАЦЕМ». 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 самого цементного клинкера. Благодаря малому размеру частиц (диаметр зерен ≤2-6 мкм), высокой удельной поверхности (2000-2500 м/кг) и плавно 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 (1000 м/кг) 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.
3
3
В отличие от прототипа использование тонкодисперсного вяжущего Микродур или Интрацем позволяет полнее связать воду и уплотнить структуру камня и тем самым обеспечить его повышенную флюидоупорность и долговечность. Это обусловлено и тем, что тонкодисперсные вяжущие способны связывать воду во много раз больше, так как водотвердое отношение 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 3000-3500 см/г.
В промысловых условиях раствор высокоструктурированной тампонажной смеси готовят двумя способами.
При первом способе вначале готовят сухую тампонажную смесь путем смешивания портландцемента, глинопорошка (бентонита), Микродура и полых стеклянных микросфер с использованием, в условиях производственной базы, смешивающих устройств и силосных емкостей, а в условиях буровой с использованием цементовозов и цементо-смесительных машин. Затем приготовленную сухую тампонажную смесь затворяют обычным способом на предварительно приготовленном растворе сернокислого глинозема 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 сернокислого глинозема. После чего при постоянном перемешивании в данную осреднительную емкость добавляют с помощью цементовозов или смесительных машин расчетное количество портландцемента, глинопорошка (бентонита), Микродура и полых стеклянных микросфер. Доводят раствор тампонажной смеси до необходимой плотности и затем закачивают в скважину.
Определение основных свойств раствора и камня проводят в соответствии с ГОСТ 1581-96 «Цементы тампонажные» и ГОСТ 26798.1-96 «Методы испытаний».
Определение плотности, растекаемости, водоотделения проводят при 25°С и атмосферном давлении. Для условий умеренных температур испытания проводят при 75°С и атмосферном давлении. Для условий АВПД при режимах температур до 90-100°С и давлении 40-60 МПа.
Растекаемость определяют по конусу АзНИИ, плотность - пикнометром, водоотделение - в мерном цилиндре, время загустевания - на консистометрах ZM-1002 и КЦ-3, пределы прочности на сжатие - на испытательном стенде (Модель 4207D - CHANDLER), газопроницаемость - на приборе GFS-830-SS-CHANDLER.
При проведении лабораторных исследований были использованы:
- водопроводная вода;
- портландцемент тампонажный ПЦТ I-50 по ГОСТ 1581-96;
- глинопорошок (бентонит) ТУ -39-0147001-105-93;
- высоководопотребное тонкомолотое вяжущее (Микродур -261R-X или Интрацем);
- облегчающая добавка - полые стеклянные микросферы по ТУ 6-48-108-94;
- сернокислый глинозем (сернокислый алюминий) по ГОСТ 12966-85.
Пример.
3
Для проведения испытаний вначале готовят тампонажный раствор, затворяя при постоянном перемешивании сухую высокоструктурированную тампонажную смесь, состоящую из 100 г портландцемента ПЦТ I-50, 25 г глинопорошка (бентонита), 5 г ПСМС и 5 г Микродура -261R-X или ИНТРАЦЕМ, на растворе сернокислого глинозема, взятого в количестве 0,5 г и растворенного в 195 см воды. После перемешивания в течение 3 минут замеряют растекаемость и плотность раствора. Затем, заливая тампонажный раствор в формы-кольца, определяют пластическую прочность раствора и готовят образцы для определения прочности тампонажного камня на сжатие и адгезионное сцепление.
Были исследованы заявляемый и известный по прототипу составы с различным содержанием компонентов, а результаты исследований помещены в таблице.
3
В результате анализа таблицы отмечено, что состав высокоструктурированной смеси по прототипу при удовлетворительной прочности камня на сжатие имеет высокую плотность раствора (1,610-1,645 г/см), малую подвижность (растекаемость) 100-140 мм, что ограничивает время доставки смеси до необходимой глубины, и невысокое адгезионное сцепление камня (рецептуры 19-20).
3
Высокоструктурированная тампонажная смесь предлагаемого состава с содержанием указанных компонентов в заявляемых пределах обладает пониженной плотностью (1,188-1,295 г/см), повышенными значениями растекаемости (180-225 мм) и адгезионного сцепления камня (см. состав 1-10 таблица 1, таблица 2). Адгезионное сцепление камня заявляемых составов более чем в 3 раза превышает адгезию состава по прототипу, а начальные значения растекаемости и пластической прочности позволяют обеспечить необходимое время доставки высокоструктурированной смеси на значительную глубину.
Установлено, что оптимальное содержание полых стеклянных микросфер составляет 5-10 вес.% к весу цемента. При увеличении содержания полых стеклянных микросфер более 10 вес.% увеличивает скорость образования коагуляционной структуры, что сокращает сроки прокачиваемости и снижает прочность камня (см. состав 6 таблица 1, таблица 2). Добавка микросфер менее 5 вес.% приводит к снижению адгезионного сцепления камня и увеличению плотности раствора (см. состав 15 таблица 1, таблица 2).
Содержание Микродура или ИНТРАЦЕМ является оптимальным в пределах 5-10 вес.%. Добавка более 10 вес.% Микродура или Интрацем уменьшает растекаемость и время прокачиваемости тампонажной смеси (см. состав 18). При добавке менее 5 вес.% Микродура или Интрацем снижаются прочностные характеристики камня на сжатие и адгезионное сцепление (см. состав 17 таблица 1, таблица 2).
Оптимальным содержанием основных структурообразующих компонентов в заявляемой тампонажной смеси является - глинопорошка (бентонита) от 25 до 50 вес.% и сернокислого глинозема от 0,5 до 6 вес.%. При этом добавка глинопорошка (бентонита) менее 25 вес.% значительно замедляет скорость набора и снижает величину пластической прочности смеси (см. состав 11 таблица 1, таблица 2), а увеличение добавки свыше 50 вес.% приводит к снижению прочности и адгезии тампонажного камня (см. состав 13 таблица 1, таблица 2). Содержание сернокислого глинозема более 7 вес.% - смесь имеет повышенную пластическую прочность за счет резкого возрастания коагуляционной структуры и невозможности доставки ее к зоне поглощения (см. состав 14 таблица 1, таблица 2). При содержании сернокислого глинозема менее 0,5 вес.% не образуется необходимая коагуляционная структура и пластическая прочность тампонажной смеси (см. состав 12 таблица 1, таблица 2).
Применение предлагаемой высокоструктурированной тампонажной смеси позволит:
- расширить область применения и повысить надежность тампонирования зон изоляции поглощающих пластов;
- снизить плотность тампонажной смеси при одновременном увеличении подвижности смеси в начальный период;
- повысить прочность адгезионного сцепления камня с горной породой.
- сократить затраты времени и расход материалов на ликвидацию поглощений бурового раствора и технологических жидкостей.
Использование заявляемой высокоструктурируемой тампонажной смеси позволит сократить затраты времени и расход материалов на ликвидацию поглощений бурового раствора и технологических жидкостей.