ЦЕМЕНТНАЯ ТАМПОНАЖНАЯ ОБЛЕГЧЕННАЯ СМЕСЬ
CEMENT GROUTING LIGHT-WEIGHT MIXTURE

Изобретение относится к тампонажным смесям, используемым для приготовления тампонажных растворов при цементировании нефтяных и газовых скважин, и может быть использовано в нефтедобывающей, газодобывающей промышленности, строительстве и других областях деятельности.
Известен тампонажный материал, включающий портландцемент, расширяющуюся добавку, гипс, ускоритель твердения, пластификатор, в качестве расширяющейся добавки содержит, по крайней мере, одну добавку из группы: глиноземистый, сульфоалюминатный цемент, алюминатсодержащие отходы-шлаки от производства ферротитана, ферробора, вторичной переплавки алюминия, в качестве пластификатора - смесь триэтаноламина и кремнеземсодержащей добавки многофункционального действия - КМХ в соотношении от 1:1 до 1:10 и облегчающую добавку, в качестве которой используют алюмосиликатные микросферы, или микрокремнезем, или вспученный вермикулит, или вспученный перлит при следующем соотношении компонентов тампонажного материала, мас.%: расширяющаяся добавка 2-15; гипс 7-9; ускоритель твердения 2-8; указанный пластификатор 0.3-0.8; облегчающая добавка 3-10; портландцемент - остальное. В качестве ускорителя твердения тампонажный материал может содержать хлористую соль щелочного или щелочноземельного элементов (патент RU №2235857, МПК 7 Е21В 33/138, 10.09.2004 г.).
Известный тампонажный материал предназначен для цементирования нормальных температурных газонефтяных скважин. Недостатком данного вяжущего является недостаточно низкая плотность тампонажного раствора, а также невысокие прочностные и адгезионные характеристики цементного камня, что отрицательно сказывается на качестве крепления скважин.
Известна облегченная тампонажная смесь, которая включает следующие компоненты, мас.%: портландцемент тампонажный 72,7-81,0, алюмосиликатные микросферы 11,7-14,6, микрокремнезем конденсированный неуплотненный МК-85 в качестве понизителя скорости фильтрации 4,9-9,7, гранулированный хлорид кальция 2,4-3,1 (патент RU №2255205, МПК 7 Е21В 33/138, 27.06.2005 г.).
3
Указанная смесь характеризуется повышенными прочностными характеристиками цементного камня и низкими показателями фильтрации, при этом минимально возможная плотность тампонажного раствора составляет 1350 кг/м, что не достаточно низко для крепления большего количества эксплуатационных колонн скважин, строящихся в условиях АНПД. Кроме того, указанный тампонажный состав формирует безусадочный камень с недостаточными адгезионными характеристиками вследствие отсутствия эффекта расширения.
Наиболее близким аналогом к изобретению по своей технической сущности, который и выбран в качестве прототипа, является тампонажный раствор, который содержит ингредиенты в следующем соотношении, мас.%: портландцемент тампонажный 36,47-57,34; алюмосиликатные полые микросферы 6,47-17,65; карбоалюминатная добавка 1,18-2,67; гипс 1,18-2,67; вода или 4%-ный раствор хлористого кальция - остальное (патент RU №2151271, МПК 7 Е21В 33/138, 03.09.1999 г.).
3
Указанная смесь характеризуется достаточно низкой плотностью тампонажного раствора (до 1240 кг/м), но при этом обладает недостаточной адгезией в начальный период твердения, повышенным водоотделением и повышенной скоростью фильтрации тампонажного раствора. Кроме того, наблюдается повышенное пенообразование, что затрудняет его затворение в промысловых условиях.
Задачей изобретения является разработка тампонажной смеси с низкой плотностью, обладающей пониженными значениями водоотделения и скоростью фильтрации, а также повышенными прочностными и адгезионными характеристиками цементного камня.
2
2
3
2
3
2
2
2
Сущность изобретения заключается в том, что заявляется тампонажная смесь, содержащая портландцемент тампонажный с целевыми добавками, которая, в отличие от известного, в качестве добавки содержит комплексную минеральную добавку (КМД-СО) следующего химического состава, мас.%: SiO 55,0-70,0; AlO 16,0-25,0; FeO 1,0-4,0; CaO 10,0-20,0; MgO 0,1-3,5; NaO 0,1-1,4; КО 0,2-3,5; TiO 0,6-1,5 и водорастворимый полимер при следующем соотношении компонентов, мас.%:
портландцемент тампонажный
65,9-69,5
водорастворимый полимер
0,1-0,5
указанная комплексная минеральная добавка КМД-СО
с размером частиц не более 500 мкм
остальное
2
3
3
Предлагаемая комплексная минеральная добавка КМД-СО выпускается в промышленном масштабе по ТУ 5712 - 011 - 80338612-2008 и состоит из частиц разного фракционного состава: частицы мелкой фракции (до 10 мкм) добавки КМД-СО за счет высокой удельной поверхности (не менее 12 м/г) обеспечивают стабилизацию тампонажного раствора, частицы крупной фракции (от 100 до 500 мкм) за счет низкой насыпной (не более 450 кг/м) и кажущейся плотности (не более 0,85 г/см) обеспечивают свойства облегчающей добавки в составе КМД-СО, а частицы средней фракции (от 10 до 100 мкм) за счет преобладания в составе углекислого кальция и углекислого магния обеспечивают свойства активных наполнителей, активизирующих процесс твердения и расширения тампонажного раствора и камня.
Комплексная минеральная добавка КМД - СО, введенная в указанных количествах в состав цементной смеси, позволяет обеспечить:
- снижение плотности тампонажного раствора до минимальных значений;
- расширение тампонажного камня, что улучшает его адгезионные характеристики;
- повышение прочности цементного камня за счет усиления гидравлических свойств портландцемента;
- уменьшение проницаемости камня, что также повышает прочность цементного камня.
В качестве портландцемента используют портландцементы, удовлетворяющие требованиям ГОСТ 1581-96, например марки ПЦТ 1-50 или марки ПЦТ I-G-СС-1.
В качестве водорастворимого полимера может быть использован, например, сульфацелл-2 или карбооксиэтилцеллюлоза (КМЦ) или оксиэтилцеллюлоза (ОЭЦ) или иной известный аналогичный водорастворимый полимер.
Введение водорастворимого полимера в заявляемых количествах позволяет в сочетании с указанной комплексной минеральной добавкой снизить водоотделение тампонажного раствора и скорость фильтрации.
Сравнение предлагаемой композиции с прототипом позволяет сделать вывод о том, что заявляемая композиция отличается новыми добавками, обеспечивающими достижение новых свойств. Вышеизложенное позволяет сделать вывод о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
В науке и технике широко известны различные алюмосиликатные добавки в качестве добавок, облегчающих цементную смесь. Вместе с тем, известные составы цементных смесей с различными добавками не позволяют повысить прочность и обеспечить хорошие адгезионные свойства при одновременном снижении плотности цементной смеси. Предлагаемый состав тампонажной смеси за счет входящих в него ингредиентов в указанных количествах позволяет обеспечить получение нового технического результата - снижение плотности тампонажного раствора до минимально допустимых значений с одновременным повышением прочности цементного камня, улучшением его адгезионных характеристик, а также снижением водоотделения и скорости фильтрации тампонажного раствора.
2
2
3
2
3
2
2
2
Комплексная добавка SiO 55,0-70,0; AlO 16,0-25,0; FeO 1,0-4,0; CaO 10,0-20,0; MgO 0,1-3,5; NaO 0,1-1,4; КО 0,2-3,5; TiO 0,6-1,5 (мас.%), вводимая в заявляемый состав в сочетании с добавкой водорастворимого полимера, приводит к улучшению основных свойств цементного раствора, позволяя решить поставленную задачу. Химический состав комплексной минеральной добавки отличается от обычных алюмосиликатных микросфер соотношением оксида кремния и оксида алюминия, повышенным содержанием оксида кальция и оксида железа и, дополнительно, наличием оксида титана. Высокая удельная поверхность частиц мелкой фракции добавки позволяет добиться стабилизации тампонажного раствора (понижения водоотделения и скорости фильтрации), повышенное содержание оксида кальция обеспечивает повышенную адгезию цементного камня. Химический состав вводимой комплексной минеральной добавки и ее размеры (не более 500 мкм) обеспечивают низкую насыпную и кажущаюся плотности, что позволяют снизить плотность получаемого цементного раствора и повысить прочность конечного продукта.
Вышеизложенное позволяет сделать вывод о том, что заявленная совокупность существенных признаков, являясь новой по качественному и количественному содержанию ингредиентов, позволяет получить новый технический результат, т.е. заявляемое техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень».
Предлагаемая композиция может быть изготовлена известными в промышленности способами из известных материалов, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «промышленная применимость».
Приготовление предлагаемых тампонажных смесей ведут следующим способом.
Необходимое количество комплексной минеральной добавки смешивают с цементом, затем добавляют водорастворимый полимер в заданных соотношениях.
Из полученной сухой цементной тампонажной смеси готовят тампонажный раствор путем добавления воды. В процессе затворения смеси добавляют пеногаситель - трибутилфосфат (ТБФ).
Сравнительные данные свойств известного и предлагаемых составов приведены в таблице 2. Примеры №1-№3 - по изобретению, пример №4 - по прототипу.
2
2
3
2
3
2
2
2
В представленных экспериментальных данных использовали портландцемент тампонажный ПЦТ I-50 ГОСТ 1581-96 ОАО «Сухоложскцемент», комплексную минеральную добавку КМД-СО по ТУ 5712 - 011 - 80338612-2008, следующего химического состава, мас.%: SiO 55,0-70,0; AlO 16,0-25,0; FeO 1,0-4,0; CaO 10,0-20,0; MgO 0,1-3,5; NaO 0,1-1,4; KO 0,2-3,5; TiO 0,6-1,5, с размером частиц не более 500 мкм, водорастворимый полимер сульфацелл-2 ТУ 6-55-221-1473-97, пеногаситель - трибутилфосфат (ТБФ) ТУ 2435-305-05763458-2001.
На базе полученной тампонажной смеси был приготовлен тампонажный раствор и испытан при креплении 11 эксплуатационных нефтяных скважин на Вать-Еганском месторождении Западной Сибири.
Пример получения тампонажной смеси и применения тампонажного раствора.
Для цементирования эксплуатационной колонны скважины на Вать-Еганском месторождении (интервал цементирования 0-2400 м), на базе цеха крепления скважин в смесительной камере предварительно была приготовлена сухая цементная тампонажная смесь состава:
- портландцемент тампонажный - 31 188 кг (67,8 мас.%);
- комплексная минеральная добавка КМД-СО - 14720 кг (32,0 мас.%);
- водорастворимый полимер (сульфацелл-2)- 92 кг. (0,2 мас.%)
3
Компоненты перемешиваются в течение 30-40 мин, и приготовленная гомогенная смесь осушенным сжатым воздухом подается в цементовозы или бункеры смесительных машин. При водоцементном отношении 0,85 было произведено затворение смеси, ТБФ - 46 кг (0,1 мас.%) добавлялся в раствор при затворении смеси. Плотность тампонажного раствора составила 1250 кг/м.
После ожидания затвердевания цемента проводились стандартные геофизические исследования на предмет определения качества крепления в контактных зонах цементный камень - горная порода и цементный камень - стенки колонны, высота подъема тампонажного раствора и его однородность по плотности.
Определение плотности и растекаемости облегченного тампонажного раствора производили при температуре 20±2°С и атмосферном давлении по методике, описанной в ГОСТ 26798.1-96 "Цементы тампонажные. Методы испытаний". Плотность тампонажного раствора определяли пикнометром, растекаемость - по конусу АзНИИ. Скорость фильтрации тампонажного раствора выражали условной величиной - показателем фильтрации за 30 мин и определяли на приборе ВМ-6 после выдержки в автоклаве при температуре 40°С и давлении 30 МПа в течение 10 минут.
3
Водоотделение тампонажного раствора определяется после его выдержки в автоклаве при температуре 40°С и давлении 30 МПа в течение 10 минут. Раствор заливается в цилиндр объемом 250 см, после отстаивания в течение 2 ч замеряется объем отделившейся воды и рассчитывается результат в процентах.
Для определения прочности цементного камня цементный камень изготавливается в формах размером 20×20×100 мм. Перед этим раствор выдерживается в автоклаве при температуре 40°С и давлении 30 МПа в течение 10 минут. После наполнения форм цементным раствором их помещают в термостат. Прочность камня определяется после его выдержки в соответствии с ГОСТ 26798.1-96 при температуре 40°С через 24 часа. Предел прочности камня на изгиб - на испытательной машине МИИ-100, предел прочности камня на сжатие - на гидравлическом прессе П-10.
Адгезию (прочность сцепления цементного камня с ограничивающей поверхностью) определяли после выдержки цементного раствора в автоклаве при температуре 40°С и давлении 30 МПа, в течение 10 минут, затем цементный раствор заливают в металлические цилиндрические формы с внутренним диаметром 50±0,1 мм и высотой 50±0,1 мм, закрывают крышкой и помещают в термостат. Адгезия камня (прочность сцепления цементного камня с ограничивающими поверхностями) определяется после его выдержки, при температуре 40°С через 24 часа на прессе СП-10 методом сдвига цементного камня в ограничивающей поверхности.
В аналогичных условиях были приготовлены и испытаны цементные тампонажные смеси и тампонажные растворы по другим примерам по изобретению (примеры №1-№3), а также состав по прототипу (пример №4). Всего было проведено испытаний заявляемого состава на 11 скважинах. Результаты исследований по всем 11 скважинам - положительные.
Составы по примерам №1-3 приведены в таблице 1. Сравнительные экспериментальные данные приведены в таблице 2.
3
Как видно из представленных сравнительных экспериментальных данных (таблица 2), заявляемая тампонажная смесь позволяет уменьшить плотность тампонажного раствора до уровня 1200-1250 кг/м, при этом, цементный камень обладает более высокими по сравнению с прототипом (пример №4) адгезией к ограничивающим поверхностям, водоотделение и скорость фильтрации заявляемого тампонажного раствора (примеры №1-№3) ниже, чем у прототипа.
Применение предлагаемой цементной тампонажной смеси позволит повысить прочность контакта цемента с колонной и породой и обеспечит подъем тампонажного раствора до проектной высоты.
Таблица 1
Составы цементных тампонажных облегченных смесей по изобретению
Ингредиенты, мас.%
Примеры конкретного выполнения
1
2
3
Портландцемент, а
именно:
- марки ПЦТ I-50
-
67,8
69,5
- марки ПЦТ I-G-CC-1
65,9
-
-
Водорастворимый полимер, а именно:
- сульфацелл-2
-
0,2
-
- карбооксиэтилцеллюлоза (КМЦ)
0,1
-
-
- оксиэтилцеллюлоза
-
-
0,5
(ОЭЦ)
Комплексная минераль
ная добавка КМД-СО,
масс.%:
A) SiO<sub>2</sub> - 55,0; Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> -
34,0
20,0; Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> - 4,0; CaO -
20,0; MgO - 0,1; Na<sub>2</sub>O -
0,1; K<sub>2</sub>O - 0,2; TiO<sub>2</sub> - 0,6.
Б) SiO<sub>2</sub> - 70,0; Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
16,0; Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> - 1,0; CaO -
-
32,0
-
10,0; MgO - 0,3; Na<sub>2</sub>O 0,3;
K<sub>2</sub>O - 0,9; TiO<sub>2</sub> - 1,5.
С) SiO<sub>2</sub> - 55,0; Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> -
25,0; Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> - 1,0; CaO -
-
-
30,0
10,0; MgO - 3,5; Na<sub>2</sub>O -
1,4; K<sub>2</sub>O - 3,5; TiO<sub>2</sub> - 0,6.
ИТОГО:
100
100
100