ВЫСОКОПРОНИКАЮЩИЙ ТАМПОНАЖНЫЙ РАСТВОР
HIGH-PENETRATION GROUTING MORTAR

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к ремонту и креплению скважин, и может быть использовано при ремонтно-изоляционных работах в скважинах, для изоляции посторонних вод и газопереточных каналов в цементном кольце за эксплуатационной колонной.
Известен облегченный тампонажный раствор [1 - аналог], включающий, мас.ч: портландцемент 100, глинопорошок до 2, оксиэтилцеллюлозу 0,8-0,9 и воду 80-100.
Недостатком известного тампонажного раствора является низкая проникающая способность в каналы и поры изолируемого пласта из-за низкой степени дисперсности гидравлического вяжущего.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является тампонажный раствор [2 - прототип], включающий мас.%: портландцемент тампонажный 64,41-66,24, сульфацелл 0,13-0,40, микрокремнезем МК-85 0,33-1,99 и воду 33,20-33,30.
Недостатком известного тампонажного раствора является также низкая проникающая способность в каналы и поры изолируемого пласта и высокая водоотдача. Высокие значения показателя водоотдачи в забойных условиях могут привести к значительному отфильтровыванию жидкости затворения и преждевременному загустеванию тампонажного раствора.
Указанные недостатки могут привести к проблемам при закачках состава в скважину и снижению эффективности его применения.
При создании изобретения решалась задача разработки высокопроникающего тампонажного раствора с высоким уровнем технологических качеств: ультранизкая водоотдача, низкие реологические характеристики, регулируемые сроки схватывания в широком диапазоне температур, высокая прочность цементного камня.
Технический результат - расширение номенклатуры высокотехнологичных тампонажных растворов с повышенной проникающей способностью и ультранизкой водоотдачей, предназначенных для ремонтно-изоляционных работ.
2
Решение поставленной задачи достигается тем, что тампонажный раствор, включающий вяжущее, понизитель фильтрации - гидроксиэтилцеллюлозу, микрокремнезем и воду, дополнительно содержит замедлитель схватывания  «ЗС-ВМЦ», представляющий собой смесь органических серосодержащих веществ и минеральных добавок и кремний - органический пеногаситель, в качестве которого используется «Тесил 201» или «Полидефом», или «Basopur DF5», а в качестве вяжущего содержит цементную смесь БТРУО «Микро» с удельной поверхностью не менее 900,0 м/кг, в качестве гидроксиэтилцеллюлозы - реагент «ПФ-ВМЦ», при следующем соотношении компонентов, мас.ч. на 100 мас.ч. микроцемента ЦС БТРУО «Микро»:
Понизитель фильтрации «ПФ-ВМЦ»
0,25-0,75
Замедлитель схватывания «ЗС-ВМЦ»
0,50-3,00
Микрокремнезем МК-85
0,00-10,0
Пеногаситель
0,10-0,30
Вода пресная
70,0-80,0
Для приготовления тампонажного раствора в экспериментах использовались следующие материалы и реагенты:
2
- Цементная смесь «ЦС БТРУО» марки «Микро» выпускается по ТУ 2458-066-54651030-2010, представляет собой смесь цементного клинкера и минеральных добавок, характеризующаяся удельной поверхностью не менее 900,0 м/кг.
- Понизитель фильтрации «ПФ-ВМЦ» выпускается по ТУ 2458-085-54651030-2011, представляет собой низковязкую гидроксиэтилцеллюлозу, обеспечивающую ее 1%-му водному раствору вязкость не более 50 мПа·с.
- Замедлитель схватывания «ЗС-ВМЦ» выпускается по ТУ 2458-084-54651030-2011, представляет собой смесь органических серосодержащих веществ и минеральных добавок.
- Пеногаситель «Тесил-201» выпускается ООО «НПФ Техносилоксаны» по ТУ 2251-003-9894-2484-2007, представляет собой водную эмульсию кремнийорганических полимеров.
- Пеногаситель «Полидефом» выпускается ЗАО НПО «Полицелл» по ТУ 2637-023-97457491-2010, представляет собой водную эмульсию кремнийорганических полимеров.
- Пеногаситель «Basopur DF 5» поставляется концерном BASF, является алкоксилированным жирным спиртом.
- «Микрокремнезем конденсированный», выпускается по ТУ 5743-048-02495332-96, представляет собой ультрадисперсный порошкообразный материал, состоящий из частиц сферической формы, получаемый в процессе газоочистки печей при производстве кремнийсодержащих сплавов. Основным компонентом материала является диоксид кремния аморфной модификации. Микрокремнезем в присутствии влаги вступает во взаимодействие с цементом с образованием гидросиликата кальция, отличающегося более развитой пространственной структурой.
- Вода пресная.
Применяемый в тампонажном растворе комплексный замедлитель схватывания «ЗС-ВМЦ» позволяет регулировать сроки схватывания при забойных температурах до 110°С. Кроме того, «ЗС-ВМЦ» выполняет функцию пластификатора.
Ввод в состав тампонажного раствора вяжущего с высокой удельной поверхностью позволяет увеличить проникающую способность в каналы и поры из-за их более высокой степени дисперсности.
Ввод в состав тампонажного раствора микрокремнезема способствует снижению сульфатной коррозии цементного камня и повышению его прочности на сжатие.
Уменьшение содержания понизителя фильтрации «ПФ-ВМЦ», замедлителя схватывания «ЗС-ВМЦ», микрокремнезема, пеногасителя, ниже указанных значений, приводит к увеличению водоотдачи, к увеличению реологических показателей, быстрому загустеванию раствора, вспениванию.
Увеличение содержания понизителя фильтрации «ПФ-ВМЦ», замедлителя схватывания «ЗС-ВМЦ», микрокремнезема, пеногасителя выше указанных значений, также приводит к увеличению реологических показателей, уменьшению прочности цементного камня.
Ниже представлены примеры приготовления тампонажных составов в лабораторных условиях. В таблице 1 представлен компонентный состав исследуемых тампонажных растворов, а в таблице 2 их технологические параметры.
Определение основных свойств тампонажных растворов и камней проводили при температуре 75°С в соответствии с международным стандартом ISO 10426-2 (спецификация 10А API). Плотность тампонажного раствора определяли при помощи рычажных весов для буровых и тампонажных растворов FANN 140. Пластическую вязкость и динамическое напряжение сдвига определяли с помощью ротационного вискозиметра FANN 35SA при комнатной температуре. Водоотдачу раствора определяли на тестере Chandler Engineering M 7120 при температуре 75°С и перепаде давления 69 атм. Время загустевания раствора определяли на консистометре Chandler Engineering M 7222 при температуре 75°С и давлении 150 атм. Прочность на сжатие цементного камня определяли на ультразвуковом анализаторе прочности Chandler Engineering M 4262 при температуре 75°С и давлении 207 атм.
Тампонажные растворы готовили следущим образом. Если того требует рецептура, готовили сухую смесь микроцемента с микрокремнеземом в заданных соотношениях. Необходимое количество добавок - замедлителя схватывания «ЗС-ВМЦ», понизителя фильтрации «ПФ-ВМЦ», пеногасителя растворяли в воде. Затем на полученном водном растворе затворяли чистый микроцемент или сухую смесь в блендере Chandler Engineering М 3060.
Ниже приведен пример приготовления и испытания состава №4 из таблицы 1 в лабораторных условиях.
Пример. Для приготовления 2500 г высокопроникающего тампонажного раствора (количество раствора, достаточное для всех видов исследований, состав №4 в таблице 1) необходимо взять 1027,70 г воды (75 мас.ч. на 100 мас.ч. цемента) и растворить 23,98 г замедлителя схватывания «ЗС-ВМЦ» (1,75 мас.ч. на 100 мас.ч. цемента), затем в этой же воде растворить 6,85 г понизителя фильтрации «ПФ-ВМЦ» (0,5 мас.ч. на 100 мас.ч. цемента) и 2,74 г пеногасителя «Тесил-201» (0,2 мас.ч. на 100 мас.ч. цемента). Приготовить сухую тампонажную смесь из 1370,20 г микроцемента ЦС БТРУО «Микро» (100 мас.ч. цемента) и 68,50 г микрокремнезема (5 мас.ч. на 100 мас.ч. цемента). Состав (за 2 приема) затворяют 50 секунд на блендере Chandler Engineering M 3060. После чего определяют плотность. Реологические параметры определяются после вымешивания тампонажного раствора в атмосферном консистометре при комнатной температуре в течение 20 мин. Далее раствор заливают в стакан консистометра Chandler Engineering M 7222 и определяют время загустевания при температуре 75°С и давлении 150 атм. Для определения водоотдачи раствор заливают в собранный цилиндр тестера Chandler Engineering M 7120 и определяют водоотдачу при температуре 75°С и перепаде давления 69 атм. Для определения прочности раствор заливают в ячейку ультразвукового анализатора прочности Chandler Engineering M 4262.
3
Приготовленный в примере состав имеет плотность 1,64 г/см, пластическую вязкость 44,2 мПа·с, динамическое напряжение сдвига 161 дПа, время загустевания до 70 Bс - 250 мин, водоотдача за 30 мин - 30,2 мл, прочность на сжатие через 1 сутки - 20,3 МПа.
Примеры приготовления и испытания составов 1-3 и 5-7, приведенных в таблице 1, аналогичны вышеописанному.
Раствор прототипа был приготовлен в лабораторных условиях согласно описанию и для него, также как описано в примере, были замерены технологические параметры.
Как видно из таблицы 2, заявляемый тампонажный раствор обладает ультранизкой водоотдачей (заявляемый 30,2 мл, а прототип 435,3 мл). Пластическая вязкость такого тампонажного раствора составляет 44,2 мПа·с, а прототипа 77,5 мПа·с. Увеличение содержания микрокремнезема повышает прочность камня на сжатие, однако увеличение его содержания свыше 10% по весу микроцемента обеспечивает раствору чрезмерно высокие показатели динамического напряжения сдвига, что нежелательно.
Предлагаемый тампонажный раствор позволяет повысить качество ответственных операций по ремонтному цементированию за счет ультранизкой водоотдачи тампонажного раствора и низких показателей реологии в сочетании с его высокой проникающей способностью и высокой прочностью цементного камня.
Таблица 1
Составы высокопроникающего тампонажного раствора
№ п/п
Микроцемент ЦС БТРУО «Микро»
Понизитель фильтрации «ПФ-ВМЦ»
Замедлитель схватывания «ЗС-ВМЦ»
Пеногаситель
Микрокремне-зем
Вода
Тесил-201
Полидефом
Basopur DF5
(мас.ч. на 100 мас.ч. цемента)
1
100
0,25
0,50
0,10
-
-
-
70,0
2
100
0,50
1,75
0,20
-
-
-
75,0
3
100
0,75
3,00
0,30
-
-
-
80,0
4
100
0,50
1,75
0,20
-
-
5,00
75,0
5
100
0,50
1,75
0,20
-
-
10,0
75,0
6
100
0,50
1,75
-
0,20
-
5,00
75,0
7
100
0,50
1,75
-
-
0,20
5,00
75,0
ПРОТОТИП
8
100 (цемент марки G)
0,42 (сульфацелл)
3,09
51,5
Таблица 2
Свойства составов высокопроникающего тампонажного раствора, представленных таблице 1.
№ состава из таблицы 1
Плотность, г/см<sup>3</sup>
Пластическая вязкость, мПа·с
Динамическое напряжение сдвига, дПа
Водотдача, см<sup>3</sup> за 30 мин
Время загустевания до 70 Bс, чч:мм
Прочность на сжатие, МПа, 1 сут
Расчетная
Замеренная
1
1,67
1,67
156,0
403
50,5
01:00
13,1
2
1,64
1,64
38,2
24
29,5
02:10
12,2
3
1,60
1,60
62,5
46
19,5
06:45
11,5
4
1,64
1,64
44,2
161
30,2
04:10
20,3
5
1,65
1,65
63,0
357
35,3
04:30
23,2
6
1,64
1,64
43,9
158
30,1
04:10
20,6
7
1,64
1,64
43,7
155
30,0
04:15
19,9
ПРОТОТИП
8
1,82
1,82
77,5
17,1
435,3
03:10
20,4
Источники информации
1. Патент RU 2085702 C1, E21B 33/138, опубликовано 27.07.1997 г. - аналог.
2. Патент RU 2322471 C1, C09K 8/467, опубликовано 20.04.2008 г. - прототип.