Утяжеленный тампонажный раствор
WEIGHTED GROUTING MORTAR

Изобретение относится к области цементирования обсадных колонн в нефтяных, газовых и газоконденсатных скважинах, вскрывающих пласты с аномально-высокими давлениями и повышенными температурами.
Известен утяжеленный тампонажный раствор, включающий портландцемент тампонажный, утяжеляющую добавку железорудный концентрат, феррохромлигносульфонат и воду [RU 2109924 С1, Е21В 33/138, опубл. 27.04.1998].
Недостатками известного тампонажного раствора являются преждевременное загустевание, приводящее к уменьшению времени прокачиваемости, седиментационная неустойчивость и невысокая плотность, что не дает возможности его использования в интервалах с аномально-высокими пластовыми давлениями и повышенными температурами.
Наиболее близким по составу и назначению является утяжеленный тампонажный раствор, включающий портландцемент тампонажный, концентрат галенитовый из свинцовых руд, нитрилотриметилфосфоновую кислоту и Натросол 250 EXR и воду [RU 2591058 C1, С09К 8/48 Е21В 33/138, опубл. 10.07.2016].
Недостатками известного состава являются невысокая прочность камня в начальный период твердения раствора и низкая термостойкость формируемого камня в условиях повышенных температур. Совокупность указанных недостатков не позволяет обеспечить надежное и долговечное разобщение продуктивных пластов с аномально-высокими давлениями и повышенными температурами.
При разработке изобретения решение технической проблемы - повышение качества цементирования обсадных колонн в скважинах, вскрывающих пласты с аномально-высокими давлениями и повышенными температурами обеспечивается за счет создания утяжеленного тампонажного раствора, при этом достигается технический результат, заключающийся в повышении прочности камня в начальный период твердения утяжеленного тампонажного раствора и формировании камня, стойкого к корродирующему действию повышенных температур.
Сущность изобретения как технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для решения указанной технической проблемы и получения обеспечиваемого при использовании изобретения технического результата. Утяжеленный тампонажный раствор содержит портландцемент тампонажный, утяжеляющую добавку концентрат галенитовый из свинцовых руд, замедлитель схватывания нитрилотриметилфосфоновую кислоту, понизитель водоотдачи Натросол 250 EXR, кварц молотый пылевидный марки Б, микрокремнезем конденсированный МК-85 и воду при следующем соотношении компонентов, мас. %: портландцемент тампонажный - 37,43-39,02, концентрат галенитовый из свинцовых руд - 24,17-27,29, нитрилотриметилфосфоновую кислоту - 0,02-0,05, Натросол 250 EXR - 0,08-0,23, кварц молотый пылевидный марки Б - 10,74-14,04, микрокремнезем конденсированный МК-85 - 2,30-4,68, вода - остальное.
Микрокремнезем конденсированный МК-85 представляет собой высокодисперсный материал, содержащий кремнезем в аморфном виде и является активным минеральным компонентом в растворе. Реагируя с гидроксидом кальция уже на начальном этапе гидратации тампонажного портландцемента, МК-85 обеспечивает образование гидросиликатов кальция и быстрое формирование кристаллизационной структуры в начальный период твердения.
Кварц молотый пылевидный марки Б содержит кремнезем в кристаллическом виде и, благодаря более медленному растворению при повышенных температурах, вступает в реакцию с гидроксидом кальция с образованием низкоосновных гидросиликатов кальция на более поздней стадии твердения. Является основным компонентом, обеспечивающим высокую конечную прочность камня и его длительную термостойкость.
Благодаря взаимному влиянию МК-85 и кварца Б происходит быстрое повышение прочности камня в начальный период твердения с последующим менее интенсивным, но более продолжительным ростом прочности во времени. Указанный стадийный характер взаимодействия кремнеземсодержащих компонентов с продуктами гидратации тампонажного портландцемента позволяет обеспечить формирование более упорядоченной кристаллизационной структуры камня, характеризующейся высокой ранней прочностью и способностью противостоять корродирующему действию повышенных температур.
Нитрилотриметилфосфоновая кислота является реагентом-замедлителем и позволяет обеспечить необходимый индукционный период до начала гидратации тампонажного портландцемента и регулирование активности взаимодействия МК-85 с гидроксидом кальция.
Натросол 250 EXR, помимо основной функции понизителя водоотдачи, усиливает кольматирующее действие МК-85 и способствует формированию низкопроницаемой структуры камня путем дополнительной закупорки пор между высокодисперсными частицами МК-85 и более грубодисперсными частицами концентрата галенитового и кварца Б.
Для приготовления предлагаемого утяжеленного тампонажного раствора использованы следующие компоненты:
- портландцемент тампонажный типа ПЦТ I-G-CC-1 по ГОСТ 1581-96;
- концентрат галенитовый из свинцовых руд (КГ-2) по ТУ 1725-011-56864391-2008 (утяжелитель);
- кварц молотый пылевидный марки Б по ГОСТ 9077-82;
- микрокремнезем конденсированный МК-85 по ТУ 5734-048-02495332-96;
- нитрилотриметилфосфоновая кислота по ТУ 2439-347-05763441-2001;
- Натросол 250 EXR по ТУ 2231-001-21095737-2005;
- вода водопроводная по ГОСТ Р 51232-98.
Основные технологические свойства раствора и камня определялись в соответствии с ГОСТ 26798.1-96 «Цементы тампонажные. Методы испытаний» и ГОСТ 26798.2-96 «Цементы тампонажные типов I-G и I-H. Методы испытаний».
Для определения интенсивности повышения прочности камня утяжеленного тампонажного раствора в начальный период твердения и оценки стойкости камня к воздействию повышенных температур, образцы-кубики помещались в воду и хранились в автоклаве при температуре (120±2)°С и давлении 85 МПа в течение 12 ч, 24 ч и 168 ч. По истечении указанных промежутков времени для образцов-кубиков определялся предел прочности камня при сжатии и полученные значения сопоставлялись для оценки интенсивности повышения прочности камня во времени (данные через 12 ч и 24 ч твердения) и его термостойкости (сравнение данных через 24 ч и 168 ч твердения).
Утяжеленный тампонажный раствор приготавливался следующим образом.
Вначале в заданных соотношениях смешивают портландцемент тампонажный, концентрат галенитовый из свинцовых руд, кварц молотый пылевидный марки Б, микрокремнезем конденсированный МК-85, Натросол 250 EXR, полученный материал тщательно перемешивают для гомогенизации. Отдельно в водопроводной воде растворяют расчетное количество НТФК. Затем производят затворение материала раствором НТФК в смесителе лабораторном СЛ-1 согласно ГОСТ 26798.1-96 и определяют технологические свойства полученного раствора и сформированного камня.
3
3
Пример. Для приготовления предлагаемого утяжеленного тампонажного раствора с плотностью 2,30 г/см (таблица, состав 7) необходимо 37,92 мас. % портландцемента тампонажного ПЦТ I-G-CC-1, 25,54 мас. % концентрата галенитового из свинцовых руд, 11,61 мас. % кварца молотого пылевидного марки Б, 2,32 мас. % микрокремнезема конденсированного МК-85, 0,15 мас. % Натросола 250 EXR перемешать до гомогенного состояния. Далее из полученной смеси приготавливают утяжеленный тампонажный раствор путем затворения водопроводной водой (22,44 мас. %) с добавкой НТФК (0,02 мас. %). После перемешивания в течение трех минут определяют плотность (г/см), растекаемость (мм), водоотделение (мл) и время загустевания полученного утяжеленного тампонажного раствора.
Оставшуюся часть раствора заливают в формы-кубики, которые размещают в камеру автоклава высокого давления и хранят при температуре (120±2)°С и давлении 85 МПа в течение 12 ч, 24 ч и 168 ч. По истечении указанных промежутков времени для образцов-кубиков определяют предел прочности камня при сжатии.
3
Приготовленный раствор имеет плотность 2,30 г/см, растекаемость 206 мм, нулевое водоотделение и время загустевания 5 ч 15 мин. Предел прочности камня при сжатии через 12 ч, 24 ч и 168 ч твердения раствора составляет 16,9 МПа, 21,5 МПа и 40,2 МПа соответственно. Таким образом, предлагаемый утяжеленный тампонажный раствор, в отличие от прототипа, характеризуется более интенсивным набором прочности камня в начальный период твердения (через 12 ч) и дальнейшим увеличением прочности во времени, свидетельствующим об отсутствии термокоррозии.
Примеры приготовления и испытания остальных составов, приведенных в таблице, аналогичны вышеописанному.
Для выявления отличительных признаков и заявляемого технического результата изменялись массовые соотношения компонентов. Как видно из таблицы 2, в указанном диапазоне соотношения компонентов заявляемый утяжеленный тампонажный раствор, при сопоставимой с прототипом плотностью, позволяет формировать камень с более высокими значениями предела прочности при сжатии через 12 ч и 24 ч твердения. В отличие от прототипа, при длительном твердении (в течение 168 ч) для заявляемого раствора не происходит снижения предела прочности камня в условиях повышенной температуры и давления, что свидетельствует о его термостойкости.
В случае запредельных соотношений компонентов, приготавливаемые растворы характеризуются ухудшением физико-механических свойств. В частности, при содержании МК-85 менее 2,30% существенно снижается скорость набора прочности в начальный период, а при содержании более 4,68% утяжеленный тампонажный раствор характеризуется низкой растекаемостью и коротким временем загустевания.
Ввод в раствор кварца молотого пылевидного менее 10,74% приводит к снижению термостойкости камня, а увеличение дозировки более 14,04% является нецелесообразным, поскольку при этом не отмечается существенного увеличения конечной прочности камня и его термостойкости.
В случае запредельных концентраций Натросола 250 EXR происходит нарушение стабильности утяжеленного раствора (состав 20) либо снижение его растекаемости до неприемлемых значений (состав 21).
В указанном диапазоне концентрации НТФК обеспечивается необходимое время загустевания раствора и активность взаимодействия МК-85 с гидроксидом кальция гидратируемого тампонажного портландцемента. В случае уменьшения концентрации НТФК менее 0,02%, ускоряется процесс взаимодействия МК-85 с гидроксидом кальция и уменьшается время загустевание раствора, а при увеличении концентрации НТФК более 0,05% происходит нежелательное замедление процессов кристаллизационного структурообразования и чрезмерное увеличение времени загустевания.
Как видно из таблицы, заявляемый утяжеленный тампонажный раствор, включающий портландцемент тампонажный, концентрат галенитовый из свинцовых руд, нитролотриметилфосфоновую кислоту, Натросол 250 EXR, кварц молотый пылевидный марки Б, микрокремнезем конденсированный МК-85 и воду, при указанном соотношении компонентов характеризуется высокой прочностью камня в начальный период твердения раствора, а формируемый камень является стойким к корродирующему действию повышенных температур.
Таким образом, заявляемый утяжеленный тампонажный раствор позволит повысить качество цементирования обсадных колонн и долговечность работы скважин в условиях наличия пластов с аномально-высокими давлениями и повышенными температурами.