ТАМПОНАЖНЫЙ ОБЛЕГЧЕННЫЙ СЕРОСОДЕРЖАЩИЙ РАСТВОР
LIGHTENED SULPHUR-BEARING GROUTING MORTAR

Изобретение относится к строительству нефтяных и газовых скважин, в частности к тампонажным смесям, предназначенным для крепления обсадных колонн, разобщения водоносных, нефтегазоносных пластов и изоляции зон интенсивного (полного) поглощения в скважинах с высоким содержанием сероводорода.
Для успешного разобщения водоносных и нефтегазоносных пластов в процессе крепления обсадных колонн, в выработанных пластах с аномально низким пластовым давлением (АНПД) на площадях с высоким содержанием сероводорода, изоляции зон интенсивных поглощений первостепенное значение имеет правильный подбор необходимой плотности тампонажных смесей и их показателей структурно-механических свойств в статических и динамических условиях. Поэтому важно, чтобы тампонажная смесь с момента поступления в каналы проницаемого и поглощающего пласта обладала необходимыми заданными значениями плотности, пластической прочности, напряжения сдвига, коррозионной стойкости.
3
Известны облегченные тампонажные растворы, включающие вяжущее, добавки и воду (см. «Справочное руководство по тампонажным материалам», В.С. Данюшевский и др., Москва, «Недра», 1987 г., стр.102-107), предназначенные для цементирования скважин в условиях низких пластовых давлений. Комбинируя количество добавки (бентонит, диатомит, фильтроперлит, опока и др.) по отношению к вяжущему, ее плотность, водотвердое отношение, можно получать тампонажные растворы плотностью от 1,60 до 1,35 г/см с удовлетворительной прочностью цементного камня.
Недостатком известных облегченных растворов являются:
- недостаточная коррозионная стойкость в сероводородосодержащих средах;
- низкие проникающие свойства в проницаемых пластах;
- низкие изоляционные свойства в средах, содержащих сероводород.
На месторождениях, содержащих сероводород, требуются облегченные тампонажные растворы с более высокой коррозионной стойкостью, которые можно получить с добавками, имеющими органогенный состав (сера, уголь, смола, резина и пр.).
Известен тампонажный материал для высокотемпературных скважин по патенту RU №2198999, включающий вяжущее, измельченную серу, при следующем соотношении компонентов, масс.%: вяжущее 80-95, измельченная сера - остальное, в качестве вяжущего используется портландцемент, шлакопортландцемент, глиноземистый цемент, шлакопесчаная смесь.
Недостатками данного тампонажного материала являются:
3
- невозможность приготовления раствора плотностью менее 1,75 г/см;
- необходимость наличия высокой температуры (120°C) на забое скважин при проведении технологических работ.
2
Наиболее близким к предлагаемому решению является тампонажный состав по патенту RU №2202033, включающий масс.%: неорганическое вяжущее - портландцемент - 59,0-65,0, ингибирующую добавку - серу или пирит - 3,0-12,0 и в качестве жидкого затворения - 5-10% водный раствор СаСl или 5-10% водный раствор твердого отхода производства соды, или воду.
Недостатком известного тампонажного раствора являются:
3
2
- невозможность его приготовления плотностью ниже 1,7-1,75 г/см, так как тампонажный цемент имеет относительно малую удельную поверхность 2500-3500 см/г и при добавках избыточной воды и серы или пирита из тампонажного раствора не образуется камня или резко снижается его механическая прочность;
- низкая проникающая способность.
Технической задачей предлагаемого изобретения является расширение области применения путем снижения плотности тампонажного раствора при одновременном увеличении подвижности и проникающей способности его в начальный период, повышения адгезионного сцепления камня с горной породой и обсадной колонной, повышения коррозионной стойкости камня.
3
Технический результат направлен на создание облегченного тампонажного раствора плотностью до 1,40 г/см с определенными структурно-механическими и закупоривающими свойствами раствора, прочностными и адгезионными характеристиками камня, позволяющими обеспечить эффективное разобщение водоносных и нефтеносных пластов, изоляцию высокопроницаемых пластов с интенсивными (катастрофическими) поглощениями бурового раствора, в том числе на истощенных месторождениях с АНПД.
2
Техническая задача решается тем, что тампонажный облегченный серосодержащий раствор содержит вяжущее, дисперсную серу фракцией до 20 мк, воду, суперпластификатор С-3, нитрилотриметиленфосфоновую кислоту - НТФ, а в качестве вяжущего содержит смесь портландцемента и высоководопотребного тонкомолотого вяжущего с удельной поверхностью 20000-25000 см/г «Микродур» при следующих соотношениях компонентов, масс.%:
Портландцемент
36,30-9,60
Высоководопотребное тонкомолотое
вяжущее с удельной поверхностью
20000-25000 см<sup>2</sup>/г «Микродур»
12,09-28,88
Дисперсная сера фракцией до 20 мк
12,09-9,60
Вода
39,40-51,80
Реологические добавки:
Нитрилотриметиленфосфоновая
кислота - НТФ
0,05-0,01
Суперпластификатор С-3
0,07-0,11
2
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в тампонажном облегченном серосодержащем растворе используются невысокой плотности наполнитель - дисперсная сера фракцией не более 20 мк и высоководопотребное тонкомолотое вяжущее с удельной поверхностью 20000-25000 см/г Микродур, что позволяет повысить качество крепления обсадных колонн, разобщения водогазонефтеносных пластов, изоляции поглощающих пластов за счет снижения плотности тампонажной смеси до требуемой величины, обеспечения необходимой подвижности и высокой проникающей способности смеси в начальный период проведения крепежных и изоляционных работ, повышения прочности адгезионного сцепления тампонажного камня со стенками скважин и обсадной колонной в условиях нормальных и повышенных температур.
2
Дисперсную серу фракцией до 20 мк в предлагаемом тампонажном облегченном растворе используют в качестве облегчающей добавки и адгезионного компонента обсадной колонны, поскольку при спуске и промывке ее в условиях поступления слабой кислоты НS стенки обсадной колонны покрыты микропленкой FeS.
Из известных тонкомолотых вяжущих наиболее эффективным является Микродур, получаемый на основе портландцемента.
В предлагаемом тампонажном облегченном серосодержащем растворе в качестве высоководопотребного тонкодисперсного вяжущего используют особотонкомолотый цемент «Микродур».
2
Вяжущее «Микродур» производится посредством воздушной сепарации пыли, образующейся при помоле цементного клинкера, технология его изготовления разработана и освоена специалистами фирмы «INTRA - BAVGmbH» совместно со специалистами концерна «Dyckerhoff» и защищена Европейским патентом. Диаметр зерен «Микродур» в 6-10 раз и более меньше частиц портландцемента. Благодаря малому размеру частиц (диаметр зерен ≤2-6 мкм), высокой удельной поверхности (20000-25000 см/г) и технологично подобранному гранулометрическому составу растворы «Микродур» обладают текучестью, сравнимой с текучестью воды, даже при минимальном количестве жидкости затворения, что позволяет суспензии «Микродура» глубоко проникать в низкопроницаемую горную породу. Время истечения (условная вязкость) суспензии в возрасте до 3 часов колеблется от 28 до 30 сек.
2
2
В отличие от прототипа использование тонкодисперсного вяжущего «Микродур» позволяет в большем объеме связать воду затворения и уплотнить структуру камня и обеспечить его повышенную флюидоупорность и долговечность. Это обусловлено тем, что тонкодисперсное вяжущее способно связывать воду во много раз больше, так как водотвердое отношение может достигать 3,0-5,0 при удельной поверхности 20000-25000 см/г против 0,3-0,5 обычных тампонажных цементов, имеющих удельную поверхность 2500-3500 см/г.
Оптимальное содержание дисперсной серы составляет 12,09-9,60 масс.%. При увеличении содержания серы более 12,09 масс.% снижается прочность камня. Добавка серы менее 9,60 масс.% приводит к повышению плотности раствора. Следует добавить, что добавка к чистому портландцементу незначительно облегчает плотность состава, а добавка к чистому «Микродуру» существенно снижает их прочность.
Оптимальным содержанием основных реологических компонентов в заявляемом тампонажном облегченном серосодержащем растворе является -НТФ от 0,01 до 0,05 масс.% и суперпластификатора С-3 от 0,07 до 0,11 масс.%. При этом добавка НТФ менее 0,05 масс.% сокращает скорость загустевания составов с повышенным содержанием портландцемента, а увеличение добавки свыше 0,01 масс.% приводит к замедлению процесса схватывания и снижению прочности камня в первоначальный период для составов с «Микродуром». Содержание суперпластификатора С-3 более 0,11 масс.% приводит к снижению стабильности раствора и к его расслаиванию, а при содержании менее 0,07 масс.% растекаемость раствора уменьшается, т.е. раствор становится непрокачиваемым.
В промысловых условиях тампонажный облегченный серосодержащий раствор готовят двумя способами.
При первом способе готовится сухая тампонажная смесь вяжущего и серы с использованием смешивающих устройств и силосных емкостей в условиях производственной базы. В условиях буровой для приготовления сухой смеси используются цементовозы и цементо-смесительные машины. После приготовления сухую тампонажную смесь затворяют обычным способом на предварительно приготовленном растворе с добавкой суперпластификатора С-3 и НТО и закачивают в скважину.
По второму способу, при наличии осреднительных машин типа АСМ-25 или УСО-20, тампонажную смесь готовят следующим способом. Вначале в осреднительную емкость набирают необходимое количество воды, в которой растворяют расчетное количество суперпластификатора С-3 и замедлителя НТФ. После чего при постоянном перемешивании в данную осреднительную емкость добавляют расчетное количество серы, а затем с помощью цементовозов или смесительных машин добавляют вяжущее до необходимой плотности тампонажного раствора. Затем раствор закачивают в скважину.
Определение основных свойств раствора и камня проводят в лаборатории в соответствии с ГОСТ 1581-96 «Цементы тампонажные» и ГОСТ 26798.1-96 «Методы испытаний».
Плотность, растекаемость, водоотделение раствора определяют при 25°C и атмосферном давлении. Для условий умеренных температур загустевание раствора определяют при 75°C и атмосферном давлении. Для условий АВПД при режиме температуры до 90°C.
Растекаемость определяют по конусу АзНИИ, плотность пикнометром, водоотделение в мерном цилиндре, время загустевания на консистометрах ZM-1002 и КЦ-3. Прочность тампонажного камня на сжатие на испытательном стенде CHANDLER (Модель 4207D), газопроницаемость на приборе GFS-830-SS - CHANDLER.
При проведении лабораторных исследований были использованы:
- водопроводная вода;
- портландцемент;
- высоководопотребное тонкомолотое вяжущее (Микродур 261R-X);
- дисперсная сера фракцией до 20 мк;
- суперпластификатор С-3;
- нитрилотриметиленфосфоновая кислота - НТФ.
Пример.
При проведении испытаний (см. состав 4 таблица 1,) вначале готовят жидкость затворения с добавкой 0,2 г (0,11 масс.%) суперпластификатора С-3, 0,15 г (0,01 масс.%) НТФ на 107,6 г (51,8 масс.%) воды. Затем при постоянном перемешивании последовательно вводят 20 г (9,6 масс.%) портландцемента, 60 г (28,88 масс.%) Микродура - 261R-X и 20 г (9,6 масс.%) дисперсной серы. После перемешивания раствора в течение 3-х минут замеряют его растекаемость и плотность и заливают тампонажный раствор в консистометр (без давления) для определения загустевания при 75°C. Кроме того, формируют образцы в заданных условиях для определения прочности тампонажного камня на сжатие.
3
Тампонажный облегченный серосодержащий раствор предлагаемого состава с содержанием указанных компонентов в заявляемых пределах обладает пониженной плотностью (1,40 г/см), нормативным значением растекаемости (240 мм) (см. состав 4 таблица 1), временем прокачиваемости 8-00 часов и прочностью на сжатие 5,5 МПа через 2 суток твердения при температуре 75°C. Значения растекаемости и времени прокачиваемости позволяют обеспечить процесс доставки тампонажного облегченного серосодержащего раствора на значительную глубину.
Применение предлагаемого тампонажного облегченного серосодержащего раствора позволит:
- расширить область применения и повысить надежность изоляции поглощающих пластов в условиях АНПД на истощенных месторождениях;
- повысить прочность адгезионного сцепления камня с горной породой и обсадной колонной;
- сократить затраты времени и расход материалов при ликвидациях поглощений бурового раствора и технологических жидкостей.
Использование заявляемого тампонажного раствора позволит сократить затраты времени и расход материалов на работы по креплению обсадных колонн, а также с работами связанными с разобщением водоносных и нефтеносных пластов и ликвидациях поглощений бурового раствора.