Тампонажный раствор
GROUTING MORTAR

Изобретение относится к области цементирования обсадных колонн в нефтяных, газовых и газоконденсатных скважинах, вскрывающих пласты с полиминеральными водами высокой степени минерализации (от 350 г/л до 634 г/л). Может быть также использовано для цементирования колонн в одну ступень одним составом в интервалах проницаемых пластов и пластов с низкими градиентами гидроразрыва при низких и нормальных температурах.
Известен тампонажный раствор для цементирования нефтяных и газовых скважин, содержащий, мас. %: тампонажный цемент 15,8-27,5, хлорид натрия 3,8-6,1, золу-унос с содержанием СаО + MgO от 6,66 до 9,60% 13,2-19,3, цементную пыль с электрофильтров из отходящих газов вращающихся печей цементных заводов 13,2-19,3 и воду - остальное [RU 2026959 С1, МПК Е21В 33/138 (1995.01), опубл. 20.01.1995]. Тампонажный цемент, золу - унос и цементную пыль смешивают. Полученную смесь затворяют на водном растворе хлорида натрия.
Недостатком известного тампонажного раствора являются низкая прочность тампонажного камня.
Известен тампонажный состав, предназначенный для цементирования скважин с нормальными и умеренными температурами, содержащий, мас.ч.: портландцемент тампонажный - 80-120; золу-уноса - 80-120; асбест - 2-3; минеральную соль - 1,0-1,5; вода - 120 [RU 2013525 С1, МПК Е21В 33/138, опубл. 30.05.1994]. Тампонажный состав характеризуется деформирующими свойствами при одновременном повышении прочности цементного камня и сцеплении его с обсадной колонной.
Недостатками известного состава являются низкие значения растекаемости раствора и ранней прочности камня при нормальных температурах, недостаточная стойкость к коррозионному воздействию полиминеральных пластовых вод высокой степени минерализации. Совокупность указанных недостатков не позволяет обеспечить надежное и долговечное разобщение пластов применительно к условиям месторождений Восточной Сибири, для которых характерно наличие указанных типов пластовых вод в горизонтах с низкими и нормальными температурами.
При разработке изобретения решение технической проблемы - повышение качества цементирования обсадных колонн в скважинах, вскрывающих пласты с полиминеральными водами высокой степени минерализации, обеспечивается за счет создания тампонажного раствора.
3
При этом достигается технический результат, заключающийся в том, что приготовленный раствор имеет плотность 1700±20 кг/м, обладает высокой растекаемостью и способностью формирования камня повышенной прочности, стойкий к коррозионному воздействию полиминеральных пластовых вод высокой степени минерализации при низких и нормальных температурах.
Указанный технический результат достигается тем, что тампонажный раствор содержит сухую тампонажную смесь ГранЦЕМ - 7 БГ, и добавки, в качестве которых содержит нитрилотриметилфосфоновую кислоту НТФК и 18% водный раствор хлорида натрия, при следующем соотношении компонентов, мас. %: ГранЦЕМ - 7 БГ - 63,286-64,101, НТФК - 0,004-0,009, 18% водный раствор хлорида натрия - 35,89-36,71.
Улучшение физико-механических свойств тампонажного состава и формируемого камня обеспечивается за счет повышения его прочности по всему интервалу размещения при низких положительных и нормальных температурах и обеспечения необходимого времени загустевания для безопасного выполнения работ по цементированию.
Отличительными признаками заявляемого тампонажного раствора является наличие в качестве добавок замедлителя времени загустевания и сроков схватывания - НТФК и модификатора твердения - 18% водного раствора хлорида натрия.
Влияние НТФК заключается в увеличении продолжительности периода коагуляционного структурообразования при нормальных температурах для безопасного выполнения работ по цементированию протяженных обсадных колонн. По истечении указанного индукционного периода действие НТФК прекращается и происходит регулируемое структурообразование при реакции цемента с последующим быстрым переходом к выкристаллизации продуктов взаимодействия и образованием прочного камня.
При снижении температуры от умеренной до нормальной для «головной» части тампонажного раствора на основе предлагаемой смеси замедляющее действие НТФК сохраняется еще необходимое время, а после окончания процесса цементирования нейтрализуется хлоридом натрия.
Помимо нейтрализующего действия 18% водного раствора хлорида натрия при снижении температуры является компонентом, усиливающим степень гидратации цемента, что обеспечивает получение камня высокой прочности при низких и нормальных температурах.
Использование в качестве жидкости затворения 18% водный раствор хлорида натрия в данной разработке исключает возможность растворения галита и поглощение полиминеральных вод высокой степени минерализации.
Использование водного раствора хлорида кальция в данной разработке исключается по рядам причин, а именно, затворение сухой тампонажной смеси водным раствором хлорида кальция сопровождается пониженной растекаемостью, «короткими» сроками схватывания и выделением энергии (экзотермическая реакция) последствием данных недостатков является создание аварийной ситуации в процессе цементирования обсадной колонны.
Взаимное влияние компонентов друг на друга, их синергетическое действие позволяет получить тампонажный раствор, обеспечивающий повышение качества крепления скважин, за счет обеспечения необходимого времени загустевания для безопасного выполнения работ по цементированию и повышения прочности формируемого камня в интервале размещения с наличием полиминеральных вод высокой степени минерализации (от 350 г/л до 634 г/л).
Для приготовления предлагаемой тампонажной смеси использованы следующие компоненты:
3
- сухая тампонажная смесь ГранЦЕМ - 7 БГ, выпускаемая по ТУ 57-013-80338612-2010 ООО «Гранула», предназначена для приготовления тампонажных растворов плотностью от 1680 до 1730 кг/м, используемая при цементировании обсадных колонн нефтяных, газовых и газоконденсатных скважин при низких и умеренных температурах.
3
9
3
- нитрилотриметилфосфоновая кислота НТФК, химическая формула CH12NOP, кристаллический сыпучий порошок, хорошо растворимый в воде, щелочах, кислотах ГОСТ 6318-17 (ТУ 2439-347-05763441-2001);
- хлорид натрия по ГОСТ 4233-77;
- техническая вода.
Основные технологические свойства раствора и камня определялись в соответствии с ГОСТ 26798.1-96 «Цементы тампонажные. Методы испытаний». Плотность раствора определялась ареометром АБР-1, растекаемость - формой-конусом, водоотделение - в двух цилиндрах объемом 250 мл, водоотдача - ВМ-6. Тестирование на время загустевания выполнялось на высокотемпературном консистометре высокого давления модель 7025 (фирма «Chandler Engineering))). Определение предела прочности при изгибе и сжатии на испытательной машине (фирма Controls).
Хранение образцов при температурах 26°С, 30°С и 43°С производилось в камере твердения модель 1910 (фирма «Chandler Engineering))), а определение предела прочности камня при сжатии через 48 ч твердения - на испытательной машине модель 4207 (фирма «Chandler Engineering))).
Тампонажный раствор приготавливали следующим образом. Вначале в заданных соотношениях смешивали сухие компоненты, полученный материал тщательно перемешивался для гомогенизации. Затем производилось затворение сухой смеси с 18% водным раствором хлорида натрия в смесителе лабораторном СЛ-1 согласно ГОСТ 26798.1-96 и определялись технологические свойства полученного раствора и сформированного камня.
Пример.
Для приготовления тампонажного раствора (таблица 1, состав 4) необходимо 63,691 мас. % ГранЦем-7 БГ, 0,004% мас. % НТФК. Приготавливают тампонажный раствор путем затворения смеси в 18% растворе хлорида натрия. После перемешивания в течение трех минут определяют плотность, растекаемость, водоотделение, время загустевания при температуре 26°С полученного раствора. Оставшуюся часть тампонажного раствора заливают в формы-балочки для определения предела прочности при изгибе и сжатии и хранят при температуре 26°С.
3
Приготовленный раствор имеет плотность 1,69 г/см, растекаемость 219 мм, водоотделение 0,0 мл, время загустевания до 50 Вс составляет 210 мин, предел прочности камня при изгибе и сжатии составляет 4,8 МПа и 16,1 МПа.
Примеры приготовления и испытания остальных составов, приведенных в таблице 1, аналогичны вышеописанному.
Для выявления отличительных признаков и заявляемого технического результата изменяли массовые соотношения ингредиентов.
3
Как видно из таблицы 1, заявляемый тампонажный раствор, включающий сухую тампонажную смесь, содержащую замедлитель времени загустевания и сроков схватывания - НТФК и модификатор твердения - 18% водный раствор хлорида натрия, при указанном соотношении компонентов превосходит известные из уровня техники аналоги, а именно: характеризуется повышенной прочностью камня в диапазоне низких и нормальных температур; необходимым временем загустевания раствора смеси с плотностью (1,70±0,02) г/см при нормальной температуре; низким водоотделением при высокой растекаемости раствора. Указанные преимущества позволяют получить необходимый технический результат и обеспечить высокую герметичность крепи во всем интервале размещения при низких и нормальных температурах, обеспечить необходимое время загустевания для безопасного выполнения работ по цементированию при нормальной температуре.
В случае запредельных соотношений компонентов смеси, приготавливаемые растворы характеризуются низкой прочностью камня при низких и нормальных температурах (запредельные значения предела прочности камня при изгибе м сжатии 2,5 МПа и 10,7 МПа соответственно) и недостаточной стойкостью к коррозионному воздействию полиминеральных пластовых вод высокой степени минерализации.
Таким образом, заявляемая тампонажная смесь позволяет производить цементирование протяженных (более 2500 м) обсадных колонн в одну ступень одним составом, в отличие от традиционных схем цементирования, предусматривающих использование двух видов тампонажных растворов (нормальной плотности и облегченного) или двухступенчатое цементирование с разрывом во времени, обеспечить высокую герметичность затрубного пространства по всему интервалу цементирования, что соответственно позволяет снизить стоимость работ и сократить время на крепление скважин.