РАСШИРЯЮЩИЙСЯ ТАМПОНАЖНЫЙ РАСТВОР С РЕГУЛИРУЕМЫМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ
EXPANDING BACKFILL SOLUTION WITH CONTROLLED PROPERTIES

Изобретение относится к области строительства скважин, в частности к тампонажным растворам для цементирования обсадных колонн, а также хвостовиков дополнительных стволов нефтяных и газовых скважин.
Известен расширяющийся тампонажный раствор, содержащий цемент и комплексный реагент (0,6-1,5 мас.% к цементу), включающий, мас, %: понизитель водоотдачи 30-94, пластификатор 2-25, пеногаситель 1-14, структурообразователь 3-25 (Патент РФ 2259468, кл. E21B 33/138, опубл. 2005 г.).
Недостатком указанного известного тампонажного раствора является, во-первых, пониженная растекаемость, что приводит к неполному замещению бурового раствора тампонажным при цементировании, а также к повышению гидравлических сопротивлений при транспортировке тампонажного раствора в заколонное пространство, во-вторых, отсутствие расширения у формирующегося цементного камня и, как следствие, отсутствие сплошного контакта с сопредельными средами (обсадной колонной и горными породами).
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является расширяющийся тампонажный материал, состоящий из жидкости затворения - воды, и основы, содержащей портландцемент, понизитель водоотдачи, суперпластификатор, пеногаситель и реагент на основе соединения алюминия, ускоритель сроков схватывания, причем в качестве реагента на основе соединения алюминия он содержит расширяющую добавку - окись алюминия и/или сульфоалюминат кальция, а в качестве пеногасителя - пеногаситель марки ПОЛИЦЕМ ДФ, при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: портландцемент 91,3-98,3; указанная расширяющая добавка 0,5-5,0; ускоритель сроков схватывания 0,1-3,0; понизитель водоотдачи 0,1-0,5; суперпластификатор 0,1-0,7; пеногаситель марки ПОЛИЦЕМ ДФ 0,1-0,3. (Патент РФ №2360940, кл. С09К 8/467, Е21В 33/138, опубл. 2009 г.)
3
3
3
3
3
Недостатком указанного известного тампонажного материала является пониженная растекаемость при плотностях 1,90 г/см и 1,88 г/см, что приводит к неполному замещению бурового раствора тампонажным при цементировании, а также - к повышению гидравлических сопротивлений при транспортировке тампонажного материала в заколонное пространство и возможности недоподъема цементного раствора до проектной высоты, а также повышенная фильтрация при плотностях 1,88 г/см, 1,87 г/см, 1,75 г/см, что может привести к фильтрации из раствора жидкости затворения в проницаемые пласты при продавке тампонажного раствора в заколонное пространство.
Технический результат предлагаемого изобретения состоит в повышении тампонирующих свойств цементного камня, получаемого из предлагаемого тампонажного раствора, за счет высоких показателей основных технологических свойств цементного раствора-камня - высокой растекаемости, низкой фильтрации, повышенной расширяющей способности, высокой ранней прочности при широком диапазоне плотностей тампонажного раствора.
2
2
3
2
3
Указанный технический результат достигается заявляемым расширяющимся тампонажным раствором с регулируемыми технологическими свойствами, содержащим жидкость затворения - воду, и основу, состоящую из портландцемента, понизителя показателя фильтрации - гидрооксиэтилцеллюлозы, пластификатора - поликарбоксилата, пеногасителя, расширяющей добавки, ускорителя времени загустевания и сроков схватывания - хлорида кальция, при этом новым является то, что основа дополнительно содержит алюмосиликатную пуццолановую добавку Метакаолин, а в качестве расширяющей добавки - продукт совместного помола отхода доменного шлака и негашеной извести «ДРС-НУ» среднего химического состава, мас.%: CaO+MgO - 72-93; SiO - 7-23; AlO - 0-4; FeO - 0-2,5; прочие примеси - 0-4,5; в качестве пеногасителя основа содержит полигликоль ПЛАСТЭК ПГ-07, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Портландцемент
91,8-94,2
Указанный понизитель фильтрации
0,15-0,3
Указанный пластификатор
0,2-0,3
Указанная расширяющая добавка
3,0-5,0
Указанный пеногаситель
0,01-0,03
Метакаолин
0,5-2,0
Хлорид кальция
0,5-2,5
а содержание воды в растворе обеспечивает водосмесевое соотношение с основой 0,48-0,64.
Достижение указанного технического результата обеспечивается за счет определенного подбора компонентов (качественного и количественного) в заявляемом расширяющемся тампонажном растворе для получения необходимых технологических свойств цементного раствора-камня для конкретных условий цементирования обсадных колонн нефтяных и газовых скважин.
Благодаря введению в тампонажный материал понизителя показателя фильтрации гидроксиэтилцеллюлозы обеспечивается низкий показатель фильтрации, исключаются седиментационные процессы, что обеспечивает отсутствие водоотделения у получаемых тампонажных растворов. А за счет синергетического эффекта во взаимодействии с другими составляющими тампонажного раствора указанный показатель фильтрации практически становится равным аналогичному показателю буровых растворов, что позволит в промысловых условиях сохранить коллекторские свойства продуктивных пластов и предотвратить преждевременное загустевание тампонажного раствора и подъем его на проектную высоту.
2
2
3
2
3
В качестве расширяющей добавки предлагается использовать продукт совместного помола доменного шлака и негашеной извести марки «ДРС-НУ» по ТУ 5744-002-44821376-2010 со средним химическим составом, мас.%: CaO+MgO - 72-93; SiO - 7-23; AlO - 0-4; FeO - 0-2,5; прочие примеси - 0-4,5. Таким образом, в тампонажном растворе будет происходить так называемое оксидное расширение, за счет повышенной концентрации в растворе оксидов кальция и магния.
Ввод указанной расширяющей добавки в тампонажный раствор позволит получить показатель расширения, обеспечивающий плотный контакт цементного камня с сопредельными средами (обсадными трубами и горными породами), а процесс расширения позволяет получить цементный камень требуемой прочности и исключает его саморазрушение.
В качестве реагента ускорителя времени загустевания и сроков схватывания используется хлорид кальция, что позволяет получить необходимые для конкретной скважины время загустевания и сроки схватывания тампонажного раствора, что положительно сказывается на качестве крепления обсадных колонн скважин, при этом подобранные концентрации указанного реагента позволяют получить расширяющийся тампонажный раствор без оказания отрицательного влияния на прочностные характеристики формирующегося цементного камня.
Лабораторные исследования показали, что ввод в тампонажный раствор Метакаолина - реагента, повышающего раннюю прочность и адгезию цементного камня, позволяет получить цементный камень с высокими показателями адгезии с сопредельными средами, а также высокие прочностные показатели уже на ранней стадии твердения 1-2 суток.
Ввод в заявляемый тампонажный раствор пластификатора - поликарбоксилата, позволяет повысить его подвижность, модифицируя структуру тампонажного раствора, уплотняя ее, что приводит к более полному замещению бурового раствора тампонажным при проведении цементировочных работ, а также увеличивает прочность цементного камня.
Лабораторными исследованиями установлено, что использование в рецептуре предлагаемого тампонажного материала пеногасителя - полигликоля марки ПЛАСТЭК ПГ07 обеспечивает снижение пенообразования, что позволяет оказывать влияние на плотность тампонажного раствора, кроме того, повысить прочностные показатели цементного камня, формирующегося при твердении, и обеспечивает нормальную работу цементировочного оборудования.
Для получения предлагаемого тампонажного раствора в лабораторных условиях были использованы следующие реагенты:
- тампонажный портландцемент марки ПЦТ IG-CC-1;
- гидроксиэтилцеллюлоза марки НАТРОСОЛ GXR по ТУ 2231-001-21095737-05;
- пластификатор на основе поликарбоксилата ПЛАСТЭК С7/531 по ТУ 5745-001- 54801883-2008 (изготовитель ООО «ТехНоосфера»);
- ускоритель времени загустевания и сроков схватывания хлорид кальция;
- пеногаситель полигликолевый ПЛАСТЭК ПГ07 по ТУ 5745-001-54801883-2008 (изготовитель ООО «ТехНоосфера»);
2
2
- реагент, повышающий раннюю прочность и адгезию цементного камня аллюломосиликатная пуццолановая добавка Метакаолин марки МЕТАСЕМ 85С, характеризуется следующими показателями: порошок от кремового до бежевого цвета; удельная поверхность - 15 м/г; пуццолановая активность - более 1000 мгСа(ОН)/г; плотность - 2,5 г/л; насыпная плотность - 300÷400 г/л; - (по импорту, производство Индия);
2
2
3
2
3
- расширяющая добавка на основе оксидов кальция и магния марки «ДРС-НУ» по ТУ 5744-002-44821376-2010 (изготовитель ООО «НИКОЙЛ») со средним химическим составом, мас.%: CaO+MgO - 72-93; SiO - 7-23; AlO - 0-4; FeO - 0-2,5; прочие примеси - 0-4,5;
- вода техническая.
Возможность осуществления заявляемого изобретения подтверждается следующим примером.
Пример. Для получения заявляемого тампонажного раствора в лабораторных условиях готовили компонентную смесь основы, для чего брали 938 г портландцемента; 2,5 г гидроксиэтилцеллюлозы; 9,4 г реагента повышающего раннюю прочность и адгезию цементного камня; 37,6 г расширяющей добавки на основе оксидов кальция и магния; 0,3 г пеногасителя; 2,8 г пластификатора; 9,4 г хлорида кальция. В результате была получена основа тампонажного раствора со следующим содержанием компонентов, мас.%: портландцемент 93,8; гидроксиэтилцеллюлоза марки НАТРОСОЛ GXR 0,25; МЕТАСЕМ 85С 0,94; расширяющая добавка ДРС-НУ 3,76; пеногаситель ПЛАСТЭК ПГ07 0,03; пластификатор ПЛАСТЭК С7/531 0,28; хлорид кальция 0,94.
Далее из указанной основы готовили тампонажный раствор путем затворения ее на технической воде при водосмесевом отношении 0,49, т.е. при этом брали 1000 г основы и затворяли ее в 490 г воды.
Тампонажные растворы с другим содержанием компонентов готовили аналогичным образом.
В преимущественном варианте приготовления предлагаемого тампонажного раствора ускоритель сроков схватывания - хлорид кальция, пластификатор ПЛАСТЭК С7/531 и пеногаситель ПЛАСТЭК ПГ07 рекомендуется предварительно растворять в жидкости затворения - воде.
В ходе лабораторных испытаний определяли по общеизвестным методикам следующие свойства заявляемого тампонажного раствора: плотность, растекаемость, показатель фильтрации, водоотделение, время загустевания, сроки схватывания; а также определяли следующие свойства цементного камня: линейное расширение; предел прочности при изгибе, при сжатии; усилие выталкивания образцов.
Данные о компонентном составе исследованных тампонажных растворов приведены в таблице 1. А данные о свойствах тампонажных растворов, затворенных по заявляемой рецептуре и по известной рецептуре, приведены в таблице 2.
Данные, приведенные в таблицах 1 и 2, показывают, что предлагаемый тампонажный раствор обладает следующими преимуществами перед известными:
- наличием большего расширения цементного камня на 50-200% (т.е. в 1,5-3 раза);
- повышенной адгезией цементного камня с сопредельными средами на 20-100% (т.е. в 1,2-2 раза);
- более высокой подвижностью, растекаемостью на 10-70 мм;
- более низким показателем фильтрации;
- высокими прочностными характеристиками цементного камня.
Благодаря указанным свойствам заявляемые тампонажные растворы позволят в промысловых условиях более полно вытеснять буровой раствор тампонажным, получить герметичную крепь обсадной колонны в стволе скважины за счет формирования прочного цементного камня, имеющего за счет расширения сплошной контакт как с обсадными трубами, так и с горными породами.