МАГНЕЗИАЛЬНЫЙ ТАМПОНАЖНЫЙ МАТЕРИАЛ
MAGNESIA PLUGGING MATERIAL

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к магнезиальным тампонажным материалам, и может быть использовано при цементировании обсадных колонн и установке герметичных и прочных мостов в нефтяных, газовых и газоконденсатных скважинах с максимальной статической температурой до 55°С, вскрывающих склонные к пластическому течению отложения минеральных солей, в том числе калийно-магниевых, и осложненных наличием в межсолевых пропластках зон с аномально низким пластовым давлением (АНПД).
В условиях хлормагниевой агрессии в скважинах наиболее коррозиеустойчивым, обеспечивающим надежную кристаллохимическую связь с соленосными породами, является цементный камень тампонажных материалов на основе магнезиальных цементов [B.C.Данюшевский, P.M.Алиев, И.Ф. Толстых. Справочное руководство по тампонажным материалам. - М.: Недра, с.165].
Известен магнезиальный тампонажный материал, содержащий порошок магнезитовый каустический, суперфосфат, хлористый магний, палыгорскитовый глинопорошок и воду при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
Каустический магнезит
(порошок магнезитовый каустический)
40,0-42,0
Суперфосфат
1,0-1,5
Хлористый магний
17-17,5
Палыгорскитовый глинопорошок
3,0-3,5
Вода
остальное
В качестве магнезиального вяжущего используют порошок магнезитовый каустический (ПМК), представленный в основном высокоактивной модификацией оксида магния (см. авторское свидетельство СССР №840293, кл. Е21В 33/138, 1981 г.).
Однако практическое применение указанного материала по причине коротких сроков загустевания и схватывания его раствора ограничивается статическими температурами в скважинах не выше 30-35°С.
Известен тампонажный материал, содержащий молотый металлургический магнезит, хлористый магний, сернокислое железо и воду при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
молотый металлургический магнезит
60-66
хлористый магний
9-12
сернокислое железо
2-4
вода
остальное
В качестве магнезиального вяжущего используют молотый металлургический магнезит, представленный низкоактивной модификацией оксида магния (см. авторское свидетельство СССР №1258987, кл. Е21В 33/138, 1986 г.).
Растворы данного материала, обладая приемлемыми сроками загустевания и схватывания в температурном диапазоне 50-150°С, имеют высокие значения плотности, что полностью исключает возможность их использования для цементирования обсадных колонн в скважинах в одну ступень. Формирующийся цементный камень этого материала имеет низкую коррозионную стойкость в пресных и минерализованных водах, что может привести к снижению долговечности крепи скважины. Кроме того, молотый металлургический магнезит является дорогим и дефицитным продуктом, выпускающимся в основном для нужд металлургической промышленности.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности является тампонажный материал, содержащий порошок магнезитовый каустический, хлористый магний, триполифосфат натрия, суперфосфат двойной, крахмалосодержащий реагент и воду при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
порошок магнезитовый каустический
48,61-50,43
хлористый магний
12,75-13,80
триполифосфат натрия
1,00-1,96
суперфосфат двойной
0,25-0,37
крахмалосодержащий реагент
0,12-0,37
вода
остальное
(см. патент РФ №2295554, кл. С09К 8/467, 2007 г.).
Данный тампонажный материал принят в качестве прототипа.
Признаки прототипа, совпадающие с признаками заявляемого изобретения, - порошок магнезитовый каустический, хлористый магний, триполифосфат натрия, суперфосфат двойной и вода.
Недостатками известного тампонажного материала, принятого за прототип, являются высокие значения плотности его раствора, высокие значения реологических характеристик, короткие сроки загустевания и схватывания при статических температурах в скважине свыше 30°С. Эти недостатки не позволяют раствор тампонажного материала транспортировать и размещать в затрубном пространстве скважины в течение технологически необходимого времени.
Задача изобретения - расширение области применения магнезиальных тампонажных материалов и повышение эффективности и качества проводимых с их использованием работ при статических температурах в скважине до 55°С.
Технический результат, достигаемый предлагаемым изобретением, заключается в получении магнезиального тампонажного материала, раствор которого характеризуется пониженными значениями плотности, приемлемыми сроками загустевания и схватывания при статической температуре в скважине до 55°С, а формирующийся достаточно прочный цементный камень - высокой коррозионной стойкостью в пресных и минерализованных пластовых водах.
Указанный технический результат достигается за счет того, что известный тампонажный материал, содержащий порошок магнезитовый каустический, хлористый магний, суперфосфат двойной, триполифосфат натрия и воду, дополнительно содержит борную кислоту, палыгорскитовый глинопорошок и микрокремнезем конденсированный при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
Порошок магнезитовый каустический
19,98-26,29
Хлористый магний
17,63-19,29
Суперфосфат двойной
1,11-1,18
Триполифосфат натрия
0,61-0,91
Борная кислота
0,40-0,73
Палыгорскитовый глинопорошок
3,03-4,54
Микрокремнезем конденсированный
11,12-11,81
Вода
остальное
Отличительными признаками заявляемого материала от материала по прототипу являются содержание в нем борной кислоты, палыгорскитового глинопорошка и микрокремнезема конденсированного, а также количественное соотношение используемых ингредиентов, мас.%: порошок магнезитовый каустический - 19,98-26,29; хлористый магний - 17,63-19,29; суперфосфат двойной - 1,11-1,18; триполифосфат натрия - 0,61-0,91; борная кислота - 0,40-0,73; палыгорскитовый глинопорошок - 3,03-4,54; микрокремнезем конденсированный - 11,12-11,81.
Достижение указанного технического результата обеспечивается за счет нижеследующего.
Химическое взаимодействие активных химических добавок суперфосфата двойного, триполифосфата натрия и борной кислоты между собой, а также с компонентами и продуктами гидратации магнезиального вяжущего в среде раствора хлористого магния при увеличенном соотношении Ж:Т за счет наличия добавок палыгорскитового глинопорошка и микрокремнезема конденсированного, приводит к образованию труднорастворимых комплексных соединений на поверхности наиболее активных зерен магнезиального цемента и его гидратных новообразований. Это позволяет существенно снизить плотность тампонажного раствора, замедлить процесс структурообразования реакционной массы (увеличить время загустевания и начала схватывания раствора тампонажного материала), обеспечить расширение, исключить растрескивание и повысить водосолестойкость формирующегося цементного камня.
Для приготовления раствора предлагаемого тампонажного материала используют следующие ингредиенты:
- Порошок магнезитовый каустический по ГОСТ 1216-87;
- Хлористый магний технический по ТУ 2152-001-53561075-02;
- Суперфосфат двойной по ГОСТ 16306-80;
- Триполифосфат натрия по ГОСТ 13493-86;
- Борная кислота по ГОСТ 18704-78;
- Палыгорскитовый глинопорошок по ТУ 480-1-334-94;
- Микрокремнезем конденсированный по ТУ 5743-048-02495332-96;
- Вода техническая.
При смешивании указанных веществ образуется заявляемый тампонажный материал, облегченный раствор которого в течение технологически необходимого времени может быть размещен в затрубном пространстве цементируемой обсадной колонны. После доставки и размещения раствора за обсадной колонной происходит его схватывание и затвердевание с образованием прочного, расширяющегося, водостойкого цементного камня, не подвергающегося растрескиванию при контакте с пресными и минерализованными водами, а также обеспечивающего напряженный контакт с породами, слагающими стенки скважины, и обсадной трубой.
Возможность осуществления заявляемого изобретения подтверждается следующим примером.
Пример. Для приготовления предлагаемого тампонажного материала вначале готовили сухую тампонажную смесь, состоящую из порошка магнезитового каустического марки ПМК-83, триполифосфата натрия марки «технический» (сорт 1), палыгорскитового глинопорошка марки ППБ и микрокремнезема конденсированного марки МК-85. Для этого 600г (23,29 мас.%) порошка магнезитового каустического тщательно перемешивали с 300 г (11,65 мас.%) микрокремнезема конденсированного, со 100 г (3,88 мас.%) палыгорскитового глинопорошка и с 20 г (0,78 мас.%) порошка триполифосфата натрия (пример 5 таблицы).
Далее готовили жидкость затворения в следующей последовательности. Сначала растворяли в воде технический хлористый магний. Затем вводили в полученный раствор борную кислоту марки В (сорт 1). После полного растворения борной кислоты добавляли суперфосфат двойной марки Б (сорт1). Приготовленная жидкость затворения содержит 1039,8 г (40,36 мас.%) воды, 471,4 г (18,30 мас.%) хлористого магния, 30 г (1,16 мас.%) суперфосфата двойного и 15 г (0,58 мас.%) борной кислоты. Полученную сухую тампонажную смесь затворяли приготовленной жидкостью затворения и перемешивали в течение трех минут.
По описанному способу были изготовлены 5 составов предлагаемого тампонажного материала с различным соотношением ингредиентов. Приготовленные составы прошли лабораторные испытания. В процессе проведения испытаний полученного материала (раствора-камня) определялись значения показателей технологических характеристик раствора - плотность, начальная консистенция, время загустевания и схватывания, а также прочность сформировавшегося цементного камня через одни сутки твердения. Кроме того, определялись значения прочностных характеристик и велась визуальная оценка изменения во времени состояния образцов - балочек цементного камня, помещенных для хранения в насыщенный водный раствор технической каменной соли.
Твердение тампонажного материала для определения значений его характеристик осуществлялось в условиях атмосферного давления при статической температуре 55±1°С за исключением времени загустевания, которое определялось при температуре 45±1°С, соответствующей максимальной динамической температуре в скважине.
Определение значений показателей свойств тампонажных материалов осуществлялось в соответствии с требованиями отраслевого стандарта ОСТ 39-051-77 [Раствор тампонажный. Методы испытаний, М., 1978] и методикой проведения исследований [B.C.Данюшевский, P.M.Алиев, И.Ф.Толстых. Справочное руководство по тампонажным материалам. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1987, с.259-262].
Данные о содержании ингредиентов и свойствах известных и предлагаемых тампонажных материалов приведены в таблице.
Как видно из данных таблицы (пример 1), раствор известного тампонажного материала (аналог) имеет очень высокую плотность, а формирующийся цементный камень подвержен растрескиванию и последующему разрушению при контакте его с насыщенным водным раствором каменной соли. Использование данного тампонажного материала по цементированию обсадных колонн в скважинах неэффективно.
Известный тампонажный материал (прототип, пример 2 таблицы) имеет высокие значения плотности и короткие сроки загустевания и схватывания его раствора. Использование материала для проведения работ в указанных условиях невозможно.
Предлагаемый тампонажный материал имеет низкие значения плотности и приемлемые сроки загустевания и схватывания его раствора, а формирующийся цементный камень обладает достаточно высокой начальной прочностью. Все составы тампонажного материала характеризуются высокой водосолестойкостью и не подвергаются разрушению в насыщенных растворах каменной соли (примеры 4-6 таблицы).
Выход за нижний предел содержания хлористого магния, палыгорскитового глинопорошка, суперфосфата двойного, триполифосфата натрия, борной кислоты, микрокремнезема конденсированного не обеспечит получение требуемых значений плотности, времени загустевания и сроков схватывания раствора тампонажного материала (пример 3 таблицы).
Выход за верхний предел содержания хлористого магния, палыгорскитового глинопорошка, суперфосфата двойного, триполифосфата натрия, борной кислоты и микрокремнезема конденсированного приводит к росту начальной консистенции, длительным срокам загустевания и схватывания раствора, а также к снижению прочности формирующегося цементного камня (пример 7 таблицы).
Преимуществом заявляемого тампонажного материала являются:
- пониженные значения плотности его растворов с требуемыми для производства работ сроками загустевания и схватывания;
- существенное повышение коррозионной стойкости формирующегося цементного камня.
Указанные преимущества позволяют:
- расширить область применения магнезиальных тампонажных материалов для крепления скважин, вскрывших отложения калийно-магниевых солей, а также при наличии в межсолевых пропластках интервала цементирования зон с АНПД;
- повысить качество крепления скважин и существенно увеличить долговечность и надежность их работы;
- улучшить технико-технологические и экологические показатели эксплуатации скважин.
Это свидетельствует о повышенной эффективности проводимых с использованием предложенного тампонажного материала работ по цементированию обсадных колонн в сложных горно-геологических условиях.