ТАМПОНАЖНЫЙ РАСТВОР
CEMENTING SLURRY

Изобретение относится к области строительства и обслуживания скважин, в частности к тампонажным растворам для цементирования обсадных колонн, газоконденсатных и нефтяных скважин, осложненных наличием слабосвязанных, склонных к гидроразрыву и обвалам, многолетних мерзлых пород.
Известен тампонажный цемент для низкотемпературных скважин «Аркцемент» (Патент РФ №2144977, опубликован 27.01.2000), содержащий мас. %: портландцемент - от 48 до 80, глиноземистый цемент марки «400» - от 20 до 50, хлористая соль щелочного или щелочноземельного металла - от 4 до 6, пластификатор лигносульфонат технический модифицированный - ЛСТМ (С-3, Н-1) - от 0,15 до 0,7.
Недостатком является низкая растекаемость и, соответственно, низкая прокачивающая способность, что не позволит эффективно использовать его в условиях низких температур, а также пониженная прочность цементного камня.
Известен полимерцементный тампонажный раствор для низкотемпературных скважин (Патент РФ №2370515, опубликован 20.10.2009), содержащий портландцемент ПЦТ-50-1-50, понизитель водоотдачи - CFL-117, адгезионную добавку - Конкрепол, расширяющую добавку НРС-1М и воду, при следующем соотношении компонентов мас. %: портландцемент ПТЦ-50-1-50 от 90 до 92, CFL-117 от 0,2 до 0,3, Конкрепол - 1,0, НРС-1М от 8 до 10, вода от 45 до 50.
Недостатком раствора являются низкие прочностные характеристики цементного камня, ввиду химической реакции между добавляемыми полимерами и портландцементом.
Известен тампонажный раствор (патент РФ №2441897, опубликован 10.02.2012), содержащий цемент, гидроксиэтилцеллюлозу, пластификатор, пеногаситель и дополнительно синтетические волокна диаметром от 0,001 до 0,1 длиной от 1 до 20 мм, расширяющую добавку при следующем соотношении, мас. ч: цемент - 100; гидроксиэтилцеллюлоза от 0,2 до 0,4; пластификатор от 0,1 до 0,5; пеногаситель - 0,2; синтетические волокна от 0,1 до 4; расширяющая добавка от 0,1 до 20; вода от 49 до 51.
Недостатком данного состава является значительная усадка цементного камня при затвердевании, что приводит к ухудшению качества цементирования скважин и их поверхностных слоев.
Известен тампонажный раствор для крепления скважин и боковых стволов с горизонтальными участками (Патент РФ №2460754, опубликован 10.09.2012), содержащий мас. %: порошок бруситовый каустический - 43,86-47,36, сернокислый магний - 8,32-13,81, вода - остальное.
К недостатку данного состава можно отнести низкие прочностные характеристики формирующегося цементного камня, а также низкую адгезию тампонажного камня с металлом обсадных труб и горными породами.
Известен тампонажный раствор (патент РФ №2471846, опубликован 10.01.2013), включающий тампонажный портландцемент, понизитель водоотдачи, пластификатор и структурообразователь, причем в качестве структурообразователя раствор содержит микрокремнезем МК-85 и раствор хлорида кальция, в качестве понизителя водоотдачи - натросол 250 EXR, в качестве пластификатора - окзил-см при следующем соотношении компонентов, мас. %: портландцемент тампонажный от 58,46 до 60,64; микрокремнезем МК-85 от 1,19 до 1,24; раствор CaCl2 от 32,81 до 34,04; натросол 250 EXR от 2,62 до 2,72; окзил-см от 1,36 до 4,92.
К недостатку данного состава следует отнести низкий уровень агдезии камня с колонной, приводящее к межколонным перетокам и пониженную прочность цементного камня, а также отсутствие необходимого коэффициента расширения тампонажного камня.
2
Известен облегченный тампонажный раствор (патент РФ №2151271, опубликован 20.06.2000), принятый за прототип, содержащий тампонажный портландцемент, облегчающий материал - алюмосиликатные полые микросферы, расширяющий компонент - карбоалюминатную добавку в смеси с гипсом, воду или 4% водный раствор CaCl. Тампонажный раствор содержит ингредиенты в следующем соотношении, мас. %: портландцемент тампонажный от 36,47 до 57,34; алюмосиликатные полые микросферы от 6,47 до 17,65; карбоалюминатная добавка от 1,18 до 2,67; гипс от 1,18 до 2,67; вода или 4%-ный раствор хлорида кальция - остальное. Состав имеет плотность от 1240 до 1580 кг/см3, прочность камня на изгиб от 1,0 до 2,8 МПа.
Недостатком данного раствора является гравитационное разделение фаз во время процесса затвердевания, что приводит к неоднородности поверхности, и локальным разрушениям при последующей эксплуатации скважин. Повышение седиментационной устойчивости путем снижения водоцементного отношения (В/Ц) или увеличение содержания микросфер приводит к ухудшению реологических свойств растворов и трещинообразованию в цементном камне по поверхности скважины.
Техническим результатом является повышение прочностных и адгезионных свойств образующегося цементного раствора при одновременном обеспечении прокачиваемости тампонажного состава и достижения оптимальных сроков его твердения при низких скважинных температурах, путем сокращения количества свободной воды в составе за счет введения реагента пластификатора, что в свою очередь повышает физико-механические свойства цементного камня, в том числе в условиях мерзлых пород.
Технический результат достигается тем, что дополнительно содержит пластификатор поли-N-винилпирролидон «Импирон» и микросилику, а в качестве расширяющего компонента используют оксид кальция, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
микросилика
8-12
оксид кальция
5-8
поли-N-винилпирролидон
0,4-0,6
тампонажный портландцемент (ПЦТ-1-50)
- остальное,
а содержание 4%-ого водного раствора хлорида кальция в тампонажном растворе обеспечивает отношение водной смеси с основой от 0,5 до 0,55.
Заявляемый тампонажный состав включает в себя следующие реагенты и товарные продукты, их содержащие:
Микросилика от 8 до 12, выпускаемая по ГОСТ Р 56178-2014.
Оксид кальция от 5 до 8, выпускаемый по ГОСТ 8677-76.
Поли-N-винилпирролидонот 0,4 до 0,6, выпускаемый по ТУ 9365-005-98540320-2014.
Тампонажный портландцемент ПТЦ-1-50- остальное, выпускаемый по ГОСТ 1581-96.
4%-ого водного раствора хлорида кальция, выпускаемый по ГОСТ ГОСТ 450-77, в тампонажном растворе обеспечивает соотношение водной смеси с основой от 0,5 до 0,55.
Выбранный состав тампонажного раствора для крепления скважин в криолитозоне повышает прочность цементного камня, при этом предложенный состав обладает повышенной седиментационной устойчивостью, морозоустойчивостью и необходимой растекаемостью. Предлагаемый состав тампонажного раствора для крепления обсадных колонн в криолитозоне отвечает предъявляемым требованиям к цементному камню, применяемому при креплении скважин в условиях многолетних мерзлых пород.
Основой тампонажного раствора для крепления скважин в криолитозоне является тампонажный портландцементПТЦ-1-50. Как известно, портландцементы схватываются и твердеют с общим уменьшением объема. В строительстве данная проблема решается введением инертных наполнителей и заполнителей, позволяющих цементу твердеть без усадки. В предлагаемом изобретении в качестве расширяющегося тампонажного материала вводят оксид кальция в количестве от 5 до 7 мас. %. Добавка позволяет создавать кристаллизационное давление, которое образуется при кристаллизации труднорастворимыхгидроксидов во время гидратации, что предотвращает деструктивные процессы в формируемом цементном камне. Наиболее оптимальноесодержание оксида кальция в тампонажном растворе (для достижения максимальной прочности раствора) от 5 до 7% мас. При введении оксида кальция менее 5% мас. добавка оказывает незначительное влияние на сроки схватывания и прочность цемента. При введении оксида кальция более 7% мас. значительно снижается прочность камня на изгиб.
Микросилика добавляется в качестве концентрата наноструктур, при ее введении увеличивается прочность цементного камня на сжатие и изгиб, его морозостойкость, а также снижается его проницаемость. Использование микросилики в составе тампонажного раствора для крепления скважин в криолитозоне приводит к значительному уплотнению цементного камня и соответственному улучшению его механических свойств. Кроме того, модификация материала микросилики стабилизирует важнейшие валентные взаимодействия Са- Si- Н (образуемые при затворении цементной смеси водой и гадратации клинкерного материала), ответственные за связность бетона, уменьшая вымывание кальция и увеличивая его влагоустойчивость. Добавка в тампонажный состав ультрадисперсного кремнезема оказывает влияние на повышение прочностных свойств цементного камня.
Проведенные эксперименты позволили установить наиболее оптимальное содержание микросилики в тампонажном растворе (для достижения максимальной прочности растворов) от 8 до 12% мас. Тампонажный раствор с добавками микросиликив предложенном диапазоне характеризуется седиментационной устойчивостью, а цементный камень с добавками микросилики в предложенном диапазоне обладает низкой проницаемостью. При добавлении микросилики наблюдается также повышение плотности и снижение пористости цементного камня, что, как следствие, приводит к улучшению его водонепроницаемости и коррозионной стойкости. Добавка микросилики менее 8% мас. недостаточно увеличивает прочность тампонажного раствора. При использовании концентрации микеросилики от 12 до 14% мас. прочность раствора увеличивается незначительно. При повышении содержания микросилики в составе тампонажного раствора более 14% мас. и происходит растрескивания образцов, при этом значительно снижается морозостойкость цементного камня.
4%-ый водный раствор хлорида кальция добавляют в качестве ускорителя сроков твердения. Содержание 4%-ого водного раствора хлорида кальция в тампонажном растворе обеспечивает соотношение водной смеси с основой от 0,5 до 0,55. Подобранныйдиапазон соотношения водной смеси с основой позволяет получить тампонажный раствор без оказания отрицательного влияния на прочностные характеристики формирующегося цементного камня, совместно с применением реагента пластификатора. Содержание хлорида кальция также оказывает влияние как ускоритель сроков схватывания тампонажных растворов, с высокой скоростью тепловыделения в начале реакции затворения при минимальном количестве выделяющегося тепла в целом, что необходимо при креплении скважин в низких температурах. Содержание более чем 4% хлорида кальция в тампонажном растворе может вызвать растепление мерзлых пород в процессе своей экзотермической реакции.
«Импирон» - воднополимерная система на основе аморфноголинейного полимера поли-N-винилпирролидона, вязкая, прозрачна или слегка опалесцирующая, бесцветная или слабоокрашенная жидкость, производится в соответствии с ТУ 9365-005-98540320-2014 "Импирон", выпускается ООО «ОргполимерсинтезСПБ» (Санкт-Петербург, Россия).
Задачи, выполняемые пластификатором в тампонажном растворе, сводятся к повышению подвижности (растекаемости) раствора и снижению его структурной (пластической) вязкости. Добавка в тампонажный состав аморфного линейного полимера поли-N-винилпирролидонаприводит к стабилизации системы. Улучшаются фильтрационные свойства тампонажного раствора, увеличивается подвижность тампонажного состава. За счет эффективного снижения пористости увеличиваются прочность на сжатие и изгиб и адгезионные свойства тампонажного камня.
3
Тампонажный раствор при граничных значениях оксида кальция от 5 до 8%мас, микросилики от 8 до 12% мас., поли-N-винилпирролидона от 0,4 до 0,6% мас., тампонажного портландцемента ПТЦ-1-50, при соотношение водной смеси с основой от 0,5 до 0,55, за счет добавки 4%-ого водного раствора хлорида кальция, имеет плотность от 1800 до 1820 кг/м и характеризуется значительным увеличением прочности формирующегося из него цементного камня.
Приготовление тампонажного раствора с повышенными показателями прочности осуществляют следующим образом. Во время приготовления тампонажного раствора оксид кальция и микросилику смешивали с портландцементом ПЦТ-1-50 в сухом виде при различных соотношениях. В качестве жидкости затворения использовалась 4%-ый водный раствор хлорида кальция. Пластификатор добавлялся в готовую суспензию. Затворениет ампонажной суспензии осуществлялось в соответствии с ГОСТ 1581-96. После чего определялось влияние количества вводимой микросилики, оксида кальция и пластификатора на плотность, растекаемость, сроки схватывания тампонажного раствора, прочность и расширение формирующегося из неготампонажного камня. Определение основных свойств тампонажного раствора и камня проводили при температуре (20±2)°С в соответствии с ГОСТ 26798.1-96 «Цементы тампонажные. Методы испытаний».
Способ поясняется следующими примерами.
Пример 1. Для приготовления 1 кг тампонажного раствора использовали 866 г (86,6 мас. %:) тампонажного цемента ПТЦ-1-50, затем смешивали с 50 г оксида кальция(5 мас. %), и с80 г микросилики (8 мас. %), после чего сухую смесь добавляли в раствор в раствор 4%-го раствор хлорида кальция в количестве, обеспечивающим соотношение водной смеси с основой равное 0,5. Затем в полученную суспензию добавляли пластификатор «Импирон» в количестве 6 г (0,6 мас. %),
После чего полученный состав перемешивали 3 минуты, затем определяли плотность и растекаемость тампонажного раствора. После чего раствор заливали в формы для определения сроков схватывания. Камень испытывали на прочность через 2, 7 и 14 суток и на расширение через 2, 7 и 14 суток.
Примеры 2-8. Приготовление и испытания остальных тампонажных растворов, представленных в табл. 1, аналогичны.
Данные о составе исследованных тампонажных растворов и данные о свойствах тампонажных растворов, затворенных по заявляемой рецептуре, приведены в таблице 1. Как видно из данных таблицы 1, предлагаемые тампонажные растворы характеризуются улучшенными значениями показателей основных технологических свойств, а именно, прочность цементного камня и расширение цементного камня.
Таким образом, как показано в вышеприведенном описании изобретения, достигается технический результат, заключающийся в повышении прочности образующегося тампонажного раствора при улучшении его эксплуатационных характеристик, повышении активности расширяющего компонента, повышающего адгезионные свойства тампонажного камня при одновременном обеспечении прокачиваемости тампонажного состава и достижения оптимальных сроков его твердения при низких скважинных температурах, путем сокращения количества свободной воды в составе за счет введения реагента пластификатора.
Предложенное техническое решение может быть использовано при цементировании обсадных колонн газовых, газоконденсатных и нефтяных скважин, осложненных наличием слабосвязанных, склонных к гидроразрыву многолетних мерзлых пород.