ОСНОВА ОТВЕРЖДАЕМОГО ТАМПОНАЖНОГО РАСТВОРА
BASE OF CURABLE GROUTING MORTAR

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, в частности к основе отверждаемого тампонажного раствора, используемого для заполнения внутреннего объема открытого и обсаженного ствола скважины между ликвидационными мостами, тампонажными флюидоупорными покрышками и экранами в процессе ликвидации скважин, и может быть использовано при капитальном ремонте скважин при изоляции продуктивных горизонтов и длительной консервации скважин в пластах с аномально высоким пластовым давлением (АВПД) и наличием в продукции агрессивных компонентов сероводорода и углекислого газа.
3
Основа отверждаемого тампонажного раствора, далее по тексту основа, применяемого для заполнения ствола, при ликвидации скважин должна обеспечивать высокую флюидоупорность при низкой газопроницаемости, отсутствие трещин и каналов, стойкость к сероводороду и плотность до 2,3-2,4 г/см, что соответствует средней плотности пород во вскрытом горном разрезе, окружающих ствол скважины. При этом основа должна ограничивать процессы седиментационного осаждения и контракции в тампонажном растворе и придавать структурно-реологическим показателям необходимые свойства, по достаточной подвижности раствора в момент закачки его в ствол скважины и набора им в процессе отверждения необходимой прочности, обеспечивающей возможность замера высоты его подъема.
Известен отверждающий глинистый раствор, включающий вяжущее и отвердитель (B.C.Данюшевский, изд. «Справочное руководство по тампонажным материалам» М., «Недра», 1987 г., стр.190-191).
В известном растворе в качестве вяжущего используют смолу ТС-10, а в качестве отвердителя - формалин, которые добавляют непосредственно в буровой раствор.
Недостатками указанного раствора являются:
- низкая плотность;
- небольшой температурный интервал применения;
- недолговечность используемых компонентов состава.
Известна основа утяжеленного тампонажного раствора, включающая тампонажный портландцемент, регуляторы технологических свойств и утяжелители (см. описание к патенту RU №2259467 МПК Е21В 33/138, опубл. 27.08.2005). Кроме того, она дополнительно содержит кольматирующую добавку.
Недостатком известной основы утяжеленного тампонажного раствора является недостаточная седиментационная устойчивость тампонажного раствора при ее использовании.
Известен утяжеленный тампонажный раствор, основа которого содержит тампонажный портландцемент и утяжелители (см. описание к патенту RU №2169252 МПК Е21В 33/138, опубл. 20.06.2001). Кроме того, он дополнительно содержит воду и пластификатор, в качестве которого используют стабилизатор ацетально-спиртовый а в качестве утяжелителя - железорудный концентрат.
Недостатками известной основы является повышенное водоотделение утяжеленного тампонажного раствора при ее использовании, а также невысокая контракционная устойчивость, которая в период длительной работы тампонажного камня приводит к уменьшению несвязанной воды в системе, сопровождающемуся появлению каналов и, следовательно, к повышению газопроницаемости.
Наиболее близким к предлагаемому решению по составу является основа утяжеленного тампонажного раствора, включающая тампонажный портландцемент, регуляторы технологических свойств и утяжеляющую добавку (см. описание к патенту RU №2194844 МПК Е21В 33/138, опубл. 20.12.2002). Кроме того, она дополнительно содержит понизитель водоотдачи тампонажного раствора - сульфоцелл, карбоксиметилцеллюлозу КМЦ, реагенты замедлители - пластификаторы нитрилотриметиленфосфоновую кислоту НТФ, С-3, при этом утяжеляющая добавка Магбар - гомогенная смесь магнетита и барита, регулятор технологических свойств, содержит расширяющуюся добавку оксида магния MgO, оксида кальция СаО и гипс.
Недостатками известной основы являются повышенная газопроницаемость тампонажного камня при ее использовании, повышенное водоотделение в системе, сопровождающееся появлением каналов и, следовательно, повышением газопроницаемости, а также невысокая способность нейтрализации сероводорода.
Технической задачей предлагаемого изобретения является улучшение технологических характеристик тампонажного раствора при использовании предлагаемой основы за счет ограничения процессов седиментационного осаждения, контракции и водоотделения, и камня за счет снижения газопроницаемости и уменьшения сероводородной коррозии, а также адгезии, флюидоупорности.
3
Технический результат заключается в обеспечении безаварийного процесса заполнения внутреннего объема обсадных колонн тампонажным раствором высокой плотности до 2,3-2,4 г/см и достаточной подвижности в зонах АВПД с сероводородом, рапы, солевых и несолевых отложений, минерализованной и пресной воды, и набора им в процессе отверждения необходимой прочности, позволяющей иметь возможность замера высоты его подъема за счет повышенной седиментационной и контракционной устойчивости.
Техническая задача решается тем, что основа отверждаемого тампонажного раствора, включающая тампонажный портландцемент, регуляторы технологических свойств и утяжелитель, при этом дополнительно содержит тонкодисперсное вяжущее, глину и нейтрализатор сероводорода, а в качестве регуляторов технологических свойств - суперпластификатор С-3 и нитрилотриметиленфосфоновую кислоту при следующих соотношениях ингредиентов, вес.%:
тампонажный портландцемент
4,0-22,0
утяжелитель
85,55-60,05
суперпластификатор С-3
0,4-3,0
нитрилотриметиленфосфоновая кислота
0,05-0,45
тонкодисперсное вяжущее
1,5-3,0
глина
3,0-4,5
нейтрализатор сероводорода
5,5-7,0
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в основе отверждаемого тампонажного раствора дополнительно используется тонкодисперсное вяжущее, глина и нейтрализатор сероводорода, что позволяет получить седиментационно устойчивую систему с близким к нулю водоотстоем с неизменяемым объемом в течение длительного времени, надежно устанавливать мосты в обсадной колонне в скважинах с проявлениями сероводорода, рапы, с мощными отложениями солей.
В качестве тонкодисперсного вяжущего содержит особотонкомолотые цементы типа «Микродур» или «ИНТРАЦЕМ». В качестве глины содержит бентонитовый глинопорошок. В качестве нейтрализатора сероводорода содержит ЖС-7. В качестве утяжелителя содержит тонкомолотый или химически осажденный барит со средним размером частиц менее 2 мкм.
В предлагаемой основе, в отличие от прототипа, в качестве вяжущего вещества используют смесь тампонажного портландцемента с тонкодисперсным вяжущим. Использование этой смеси 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, чем цементы, водотвердое отношение которых может достигать 3,0-5,0 против 0,3-0,5 обычных вяжущих. Добавка тонкодисперсного вяжущего менее 1,5% снижает флюидоупорность, а более 3% резко ухудшает прокачиваемость основы.
В качестве тонкодисперсного вяжущего используют особотонкомолотые цементы, со средним размером частиц менее 4,5 мкм, например «Микродур» и «ИНТРАЦЕМ». «Микродур» производится посредством воздушной сепарации пыли при помоле цементного клинкера. Технология изготовления особотонкого дисперсного вещества «Микродур» разработана и освоена специалистами фирмы «INTRA - BAVGmbH» совместно со специалистами концерна «Dyckerhoff» и защищена Европейским патентом. Благодаря дисперсному размеру частиц «Микродур» обладает текучестью, сравнимой с текучестью воды, даже при минимальном количестве жидкости затворения, что позволяет суспензии «Микродура» проникать в грунты, бетон и горную породу с радиусом распространения, аналогичным бездисперсным растворам. «Микродур» устойчив к химическим воздействиям, в том числе к воздействию сероводорода и углекислоты.
Технология изготовления особотонкомолотого цемента «ИНТРАЦЕМ», близкого по своим технологическим параметрам к «Микродуру», разработана РХТУ им. Д.И.Менделеева, на которую получен патент РФ №2142923. Благодаря 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.
Для снижения контракционного эффекта и повышения флюидоупорности предлагаемая основа содержит глинистую составляющую, в качестве которой выбран бентонитовый глинопорошок, как наиболее высоконабухающий элемент. При содержании бентонитового глинопорошка менее 3,0% снижается флюидоупорность раствора, повышается коэффициент контракции системы, увеличивается водоотстой и нарушается стабильность раствора. При добавке более 4,5% бентонитового глинопорошка наблюдается рост реолого-структурных свойств раствора, за счет чего снижается время прокачиваемости раствора.
Предлагаемая основа в качестве нейтрализатора сероводорода содержит активный реагент ЖС-7 по ТУ 2123-001-12650743-2003 в количестве 5,5-7,0%, который является коллоидной формой окиси железа. Применяемые известные окислы железа, получаемые в результате грубого помола железных руд, имеют слабую поглотительную способность и повышенную скорость седиментации. Добавка ЖС-7 менее 5,5% не обеспечивает процесс нейтрализации сероводорода, а более 7,0% приводит к увеличению вязкости системы и снижению плотности раствора.
В качестве утяжелителя предлагаемая основа содержит тонкомолотый или химически осажденный барит со средним размером частиц менее 2 мкм в количестве 85,55-60,05%, который абсолютно устойчив по отношению слабодействующей сероводородной кислоты и содержит минимальное количество посторонних примесей. Добавка барита в количестве более 85,5% способствует снижению прочностных характеристик тампонажного камня, а менее 60,05% не обеспечивает необходимую плотность раствора.
В качестве регулятора технологических свойств предлагаемая основа содержит нитрилотриметиленфосфоновую кислоту в количестве 0,05-0,45% и суперпластификатор С-3 в количестве 0,4-3,0% от сухой массы состава, которые являются универсальными реагентами по своему действию на все составляющие рецептуру порошковые материалы. Добавка суперпластификатора в раствор менее 0,4% не обеспечивает необходимую растекаемость раствора в указанной рецептуре, а увеличение добавки более 3% приводит к резкому снижению седиментационной устойчивости раствора. Добавка в раствор менее 0,05% нитрилотриметиленфосфоновой кислоты не позволяет обеспечить необходимое время прокачиваемости (загустевания) раствора, а увеличение добавки свыше 0,45% способствует резкому разжижению раствора, и увеличению его растекаемости и срока отверждения.
Приготовление предлагаемой основы может быть осуществлено централизовано в цехе сухих тампонажных композиций с использованием известных смесительных камер. Приготовленную гомогенную смесь подают в цементовозы или в бункеры цементно-смесительных машин или расфасовывают в герметичные упаковки весом 25-40 кг. Затем основу любым видом транспорта доставляют на скважину.
На скважине отверждаемый тампонажный раствор готовят обычным способом с применением глиномешалки или агрегатно-смесительной машины, например, АСМ-25 (УСО-20) двумя способами:
- компоненты предлагаемой основы вводят в жидкость затворения одновременно при тщательном перемешивании;
- компоненты предлагаемой основы вводят в жидкость затворения последовательно, сначала регуляторы технологических свойств, затем приготовленную сухую смесь, состоящую из глины, утяжелителя, нейтрализатора сероводорода, вяжущего вещества и тонкодисперсного вяжущего.
В интервалах соленосных отложений и рапоносных горизонтов используется засолоненный тампонажный раствор, приготовленный на химически совместимых с горной породой рассолах, с возможностью исключения обменных процессов, ведущих к разрушению камня тампонажной основы. При содержании жидкости затворения менее 33% раствор загустевает и становится непрокачиваемым, при более 50% раствор разжижается и теряет стабильность.
В качестве жидкости затворения основы используют воду или рассол хлористого натрия, или рассол хлористого кальция, или рассол бромистого кальция, или их смесь в количестве 30-50% от сухой основы.
Определение основных свойств раствора и камня проводят в соответствии с ГОСТ 1581-96 «Цементы тампонажные» и ГОСТ 26798.1-96 «Методы испытаний». Плотность, растекаемость, водоотделение определяют при температуре 22°С и атмосферном давлении. Для условий умеренных температур испытания проводят при температуре 75°С и атмосферном давлении, для условий с АВПД при режимах температур до 120°С и давлении 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 GFS-830-SS - CHANDLER.
Данные о проведенных испытаниях сведены в таблице «Составы и свойства основы отверждаемого тампонажного раствора».
Пример.
3
Для приготовления отверждаемого тампонажного раствора (см. состав 10) в воду объемом 250 см, постоянно перемешивая, добавляют сухую основу, состоящую из: 3 г НТФ, 20 г суперпластификатора С-3, 20 г бентонитового глинопорошка, 650 г барита, 40 г ЖС-7, 30 г портландцемента, 10 г «Микродура». Полученный состав перемешивают 3 мин, после чего определяют плотность, растекаемость, прокачиваемость.
При повторном приготовлении определяют водоотделение, формируют образцы для испытания на прочность через 72 часа твердения, при испытании на проницаемость и контракцию через 5 суток твердения.
3
Плотность раствора 2,3 г/см, растекаемость 19 см, водоотделение 1,5 мл, прокачиваемость на КЦ-3 6 ч 10 мин, прочность на сжатие 2,6 МПа, проницаемость менее 0,005 мкм, контракция 0,1%.
Для тампонирования ствола в интервалах солей и рапопроявлений в качестве жидкости затворения используют солевые растворы (см. состав 15, 16, 17) различной плотности.
Концентрацию реагентов-замедлителей выбирают исходя из требуемого времени прокачиваемости для определенных горно-геологических условий.
Использование предлагаемой основы позволяет:
- ограничить процессы седиментационного осаждения в тампонажном растворе, снизить водоотделение и контракции в образующемся камне, на длительный срок, повысить флюидоупорность и коррозионная стойкость, в том числе к сероводороду;
- обеспечить качественное крепление и герметизацию внутреннего объема открытого или обсаженного ствола скважин в процессе их ликвидации или длительной консервации за счет низкой контракции, высокой флюидоупорности и неизменности объема в течение длительного времени;
- предотвратить пластовые флюидопроявления при наличии во вскрытом разрезе скважины высокого содержания сероводорода, АВПД, высоких температур за счет высокой седиментационной устойчивости, коррозионо-стойкости и плотности, обеспечивающей противодавление, аналогичное горному.
Ориентировочный экономический эффект от использования предлагаемой основы отверждаемого тампонажного раствора обусловлен отсутствием необходимости в проведении повторных промысловых работ в ликвидированных скважинах по устранению возможных экологических последствий, связанных с глубинными и поверхностными флюидопроявлениями, и может составлять от нескольких сотен до десятков миллионов рублей.