3
СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ОБЛЕГЧЕННОГО ТАМПОНАЖНОГО РАСТВОРА ПЛОТНОСТЬЮ 1450-1500 кг/м
3
METHOD OF PREPARATION OF LIGHT GROUTING MORTAR OF DENSITY 1450-1500 kg/m

Изобретение относится к области строительства нефтяных и газовых скважин, в частности к способам получения облегченных тампонажных растворов, предназначенных для крепления обсадных колонн в условиях нормальных и аномально-низких пластовых давлений.
Известен способ приготовления облегченного тампонажного раствора, включающего приготовление сухой смеси из тампонажного портландцемента и расширяющего компонента - карбоалюминатной добавки и гипса, введение в эту смесь алюмосиликатных микросфер, с последующим затворением полученной сухой смеси жидкостью затворения, в качестве которой используют воду или 4%-ный раствор хлористого кальция (патент РФ №2151271, кл. E21В 33/138, опубл. 20.06.2000 г.).
3
Достигаемый известным способом результат состоит в том, что при расчетной плотности приготовленного облегченного тампонажного раствора 1400 кг/м и растекаемости 240 мм, образующийся цементный камень обладает высокой прочностью на изгиб при 2-х суточном хранении (2,1 МПа), а расширение цементного камня через 2-е суток составляет 0,22%, что позволяет повысить качество крепления и предотвратить газонефтепроявления за счет эффекта расширения и прочности цементного камня.
Недостатком этого тампонажного раствора, приготовленного известным способом, является невозможность обеспечения расчетных значений концентрации вводимых реагентов в сухую смесь при существующих условиях цементирования. Это относится, в первую очередь, к вводу карбоалюминатной добавки и гипса. Исходя из особенностей физико-химического и фракционного состава этих компонентов (в частности, гигроскопичности и разноразмерности) возможно неравномерное распределение их в бункерах цементосмесительных машин, что может привести к потере подвижности цементного раствора при их увеличении (более 2,67 мас.%), а при уменьшении ниже расчетных значений - к снижению расширения цементного камня.
Кроме того, полученный известным способом тампонажный раствор характеризуется высокими показателями водоотдачи при перепаде давления 0,7 МПа. Вследствие этого, происходит отфильтровывание большого количества воды из расположенного в скважине тампонажного раствора, особенно, в разрезе высокопроницаемых пород, что приводит к недоподъему цемента на проектную высоту и к усадочным деформациям цементного камня (образованию в нем трещин и каналов).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ приготовления облегченного тампонажного раствора согласно патенту №2215124, кл. Е21В 33/138, опубл. 27.10.2003 г.
Согласно этому способу облегченный тампонажный раствор готовится путем смешения тампонажного портландцемента с алюмосиликатными микросферами в соотношении 80-90÷10-20 с последующим введением в полученную сухую смесь жидкости затворения, содержащую: оксиэтилцеллюлозу или гидроксиэтилцеллюлозу, лигносульфонаты или реагент на основе меламина, ускоритель сроков схватывания и воду при следующем соотношении их к массе указанной сухой смеси, мас.ч.:
Ускоритель сроков схватывания
0,2-3,0
Оксиэтилцеллюлоза или
гидроксиэтилцеллюлоза
0,3-0,5
Лигносульфонаты или
реагент на основе меламина
0,1-0,4
Вода
44-50
После введения жидкости затворения осуществляется перемешивание в течение 0,5 ч.
3
3
Техническая задача, которая решалась известным способом, состояла в снижении нагрузки на пласты, обеспечении подъема тампонажного раствора до устья за счет снижения удельного веса тампонажного раствора (до 1450-1650 кг/м), низкой фильтратоотдачи до 20-30 см за 30 мин на фильтр-прессе "Baroid" при ΔР=0,7 МПа и предотвращения усадки цементного камня при добавке в цементный раствор в качестве облегчающей добавки алюмосиликатных микросфер. Кроме того, при использовании этого способа обеспечиваются стабильные технологические параметры приготовленного тампонажного раствора: высокая седиментационная устойчивость, хорошая прокачиваемость, низкая фильтратоотдача, регулируемые сроки схватывания и время загустевания и, в результате формирование цементного камня высокой прочности с улучшенными адгезионными свойствами и низкой проницаемостью.
Недостатками известного способа является то, что при приготовлении жидкости затворения возникают сложности при растворении компонентов, а именно: для полного растворения полимера требуется значительное время - до 3-4 часов (в холодное время года время растворения увеличивается, кроме того, требуется обязательный подогрев воды до определенной температуры); реагент на основе меламина при растворении комкуется, что создает трудности и погрешности при определении концентрации этого реагента при контроле в процессе цементирования.
Технический результат, достигаемый предлагаемым способом, заключается в сокращении технологического времени процесса приготовления, а значит, и цементирования, и в обеспечении достижения строго регламентированных концентраций компонентов в закачиваемом в скважину тампонажном растворе для получения требуемых технологических свойств, при одновременном улучшении реологических характеристик цементного раствора и снижения проницаемости цементного камня за счет ввода пеногасителя и повышении стабильности плотности цементного раствора при его использовании в условиях повышенных давлений для глубин свыше 2000 м без изменения плотности раствора в процессе закачивания и продавки и прочности цементного камня за счет ввода в состав тампонажного раствора стеклянных микросфер.
3
Указанный технический результат достигается предлагаемым способом приготовления облегченного тампонажного раствора плотностью 1450-1500 кг/м, включающим приготовление сухой смеси из тампонажного портландцемента и микросфер и последующее введение в полученную сухую смесь жидкости затворения, отличающийся тем, что в качестве микросфер используют смесь алюмосиликатных и стеклянных микросфер в массовом соотношении 1:0,05÷0,33 соответственно, в качестве жидкости затворения - воду или 0,4-10%-ный водный раствор ускорителя сроков схватывания - хлорида кальция или хлорида натрия или реагента ЭКСЦЕМ СА, причем жидкость затворения используют в количестве, обеспечивающем водоцементное соотношение 0,5-0,6, а перед введением микросфер дополнительно вводят понизитель фильтрации - реагент ГИДРОЦЕМ марок С и В, пластификатор - лигносульфонаты или реагент ЦЕМПЛАСТ МФ, и пеногаситель - ПОЛИЦЕМ ДФ, при следующем соотношении компонентов, мас.ч:
Тампонажный портландцемент
75-84
Микросферы
16-25
Указанный понизитель фильтрации
0,2-0,5
Указанный пластификатор
0,1-0,5
Указанный пеногаситель
0,1-0,2,
полученную сухую смесь тщательно перемешивают.
Указанный технический результат достигается за счет следующего.
Благодаря подготовке сухой смеси их указанных компонентов, обеспечивается быстрота ее приготовления и равномерность распределения компонентов. Введение микросфер после всех компонентов обусловлено предотвращением возможного взаимодействия их с реагентами, вводимыми в сухую смесь и снижения вероятности изменения свойств реагентов.
Кроме того, для расширения диапазона применения облегченного тампонажного состава предлагается в состав тампонажного раствора вместе с алюмосиликатными вводить и стеклянные микросферы в их массовом соотношении 1:(0,05÷0,33). В отличие от алюмосиликатных микросфер, прочность на сжатие которых находится в пределах 5-12 МПа, стеклянные микросферы не схлопываются при повышенных давлениях, возникающих в процессе цементирования при продавке цементного раствора. Стеклянные микросферы импортного производства имеют повышенные пределы прочности на сжатие (до 50 МПа). Однако высокая стоимость импортных стеклянных микросфер (до 8,5 тыс.$/т), отечественных (40-60 тыс.руб/т) ограничивает их широкое использование. Отечественные стеклянные микросферы различных типов выпускаются с пределами прочности на сжатие до 10-20 МПа. Расход стеклянных микросфер в сравнении с алюмосиликатными значительно ниже из-за исходной плотности самих микросфер, и как оказалось, использование при реализации предлагаемого способа алюмосиликатных и стеклянных микросфер при их массовом соотношении 1:(0,05÷0,33) позволит использовать приготовленный раствор при глубине спуска обсадной колонны свыше 2000 м, причем без изменения плотности этого раствора в процессе закачивания и продавки, т.к. стеклянные микросферы без разрушения выдерживают повышенные давления и не схлопываются, тем самым, обеспечивая стабильную плотность цементного раствора, и в условиях аномально-низких пластовых давлений, предотвращая возможность поглощения тампонажного состава.
Введение в состав пеногасителя ПОЛИЦЕМ ДФ обеспечивает необходимую плотность цементного раствора при затворении и поддержание стабильных значений в процессе его закачивания и продавки.
Для приготовления облегченного тампонажного раствора предлагаемым способом в лабораторных условиях были использованы следующие вещества и оборудование.
Вещества:
- Тампонажный портландцемент по ГОСТ 1581-96 Сухоложского цементного завода следующих марок: ПЦТ П-50; ПЦТ 1-100; ПЦТ 1G-CC-1;
- Микросферы алюмосиликатные (КМ) ООО «Уралайт» ТУ 21-22-37-94;
- Микросферы стеклянные АО НПО «Стеклопластик» ТУ 6-48-91-92;
- Понизитель фильтрации - модифицированная оксиэтилцеллюлоза ГИДРОЦЕМ марок С и В (ТУ 2231-016-53501222-2001);
- Пластификатор: лигносульфонаты ЛСТ (ТУ 13-0281036-05-89) или модифицированная меламинформальдегидная смола ЦЕМПЛАСТ МФ (ТУ 2223-011-40912231-2003);
- Пеногаситель - модифицированный кремнийорганический полимер ПОЛИЦЕМ ДФ (ТУ 2228-010-40912231-2003);
- Ускоритель сроков схватывания: хлорид кальция (ТУ 48-10-59-79) или хлорид натрия (ТУ 2152-097-00209527-2004) или модифицированный оксид алюминия ЭКСЦЕМ СА (ТУ 2123-020-53501222-2001);
- Вода техническая с жесткостью 5 мг-экв./л (ГОСТ 2874-82).
Оборудование:
- конус АзНИИ;
- прибор для измерения проницаемости цементного камня (OFITE);
- автоматизированный прибор для испытания прочности на сжатие (OFITE);
- 12-ти скоростной вискозиметр (CHANDLER);
- мешалка постоянной скорости (OFITE);
- герметичная камера затвердевания (OFITE);
- настольный герметизированный консистометр высокого давления и высокой температуры (CHANDLER);
- фильтр-пресс высокого давления и высокой температуры (OFITE);
- динамический фильтр-пресс высокого давления и температуры (OFITE).
Пример.
Для приготовления сухой смеси брали 800 г тампонажного портландцемента марки ПЦТ П-50, 2 г ГИДРОЦЕМ марки В, 2 г ЦЕМПЛАСТ МФ, 2 г ПОЛИЦЕМ ДФ, затем в последнюю очередь в смесь вводили 160 г алюмосиликатных микросфер производства ООО «Уралайт», 40 г стеклянных микросфер АО НПО «Стеклопластик» (соотношение микросфер алюмосиликатных к стеклянным равнялось 1:0,25). Получили сухую смесь со следующим содержанием компонентов, мас.ч.:
Тампонажный портландцемент 80,0
Микросферы
20
Понизитель фильтрации
0,2
Пластификатор
0,2
Пеногаситель
0,2
В отдельном стакане готовили 500 мл жидкости затворения в виде водного раствора хлорида кальция 4%-ной концентрации. Далее на полученной жидкости затворения производили затворение предварительно подготовленной сухой смеси цемента с микросферами и реагентами путем постепенного ввода при постоянном перемешивании на лабораторной мешалке. При этом перемешивание затворенного тампонажного раствора осуществляли непрерывно по меньшей мере в течение 0,5 часа со скоростью 100-120 об/мин. В результате получили тампонажный раствор, приготовленный заявляемым способом с водоцементным соотношением В/С=0,5.
Таким же образом осуществляли предлагаемый способ для приготовления тампонажных растворов с другими компонентными составами.
Осуществление способа приготовления облегченного тампонажного раствора в промысловых условиях заключается в следующем:
1. В смесители производится затаривание сухой смеси, содержащей следующие материалы и реагенты, мас.ч.:
Тампонажный портландцемент
75-84
Микросферы
16-25
Понизитель фильтрации
0,2-0,5
Пластификатор
0,1-0,5
Пеногаситель
0,1-0,2
После затаривания производится двухкратное перетаривание смесителей с целью получения однородной смеси.
3
2. В мерниках цементировочных агрегатов готовится жидкость затворения - техническая вода с ускорителем сроков схватывания. Расход ускорителя составляет от 0 до 110 кг/м в зависимости от выбора типа ускорителя, требуемой плотности тамонажного раствора и водоцементного отношения.
3. На следующем этапе производится затворение тампонажного раствора требуемой плотности и откачивание его в смесительно-осреднительную емкость, где производится его перемешивание в течение не менее получаса с целью выравнивания и стабилизации технологических свойств цементного раствора.
4. Затем производится откачка полученного тампонажного раствора в скважину и установка его в заколонном пространстве.
В процессе лабораторных исследований по методикам ГОСТ 26798.1,2-96 устанавливали свойства тампонажных растворов, приготовленных предлагаемым и известным по прототипу способами: плотность, растекаемость, время загустевания до 30 Bc; фильтратоотдачу при Δ=0,7 МПа за 30 мин; сроки схватывания, водоотделение; предел прочности на изгиб при 2-х суточном хранении в пресной воде; усадку образующегося цементного камня.
Данные об ингредиентном содержании исследуемых тампонажных растворов, приготовленных предлагаемым и известным способами, приведены в таблице 1.
Данные о свойствах этих тампонажных растворов, полученные в ходе исследований, приведены в таблице 2.
Данные, приведенные в таблице 2, показывают, что облегченный тампонажный состав с низкой фильтрацией способен образоваться лишь при приготовлении его заявляемым способом (при указанной последовательности операций и указанном соотношении компонентов).
Тампонажные растворы, полученные предлагаемым способом, характеризуются следующими стабильными технологическими параметрами:
Облегченные тампонажные растворы, полученные предлагаемым способом, характеризуются следующими показателями:
Плотность, кг/м<sup>3</sup>
1450-1500
Растекаемость, мм
220-250
Время загустевания, ч-мин
4-30 - 6-10
Водоотделение, мл
0
Предел прочности на изгиб при 2-х суточном
хранении в пресной воде, МПа
1,1-1,6
усилие на выталкивание, МПа
0,36-0,72
усадка цементного камня через 2 суток, %
0
Использование тампонажного раствора, полученного предлагаемым способом, обеспечивает по сравнению с тампонажными растворами, приготовленными известными способами:
- высокое качество крепления за счет:
- оптимальных технологических свойств тампонажного раствора, приготовленного предлагаемым способом;
- обеспечения подъема цементного раствора на проектную высоту за счет снижения плотности;
- снижения нагрузки на пласты, особенно в условиях аномальных пластовых давлений и расчетных давлений в процессе цементирования за счет низкой плотности и оптимальных реологических свойств;
- формирование однородного по прочности безусадочного цементного камня.
Кроме того, при использовании для цементирования тампонажного раствора, приготовленного предлагаемым способом, снижается вероятность возникновения заколонных перетоков и нарушений крепи за счет:
- высокой седиментационной устойчивости приготовленных тампонажных растворов;
- улучшенных характеристик сформированного цементного камня за счет прочностных, адгезионных свойств, и низкой проницаемости
этого камня.