СЫРЬЕВАЯ СМЕСЬ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОБЛЕГЧЕННОГО ТАМПОНАЖНОГО РАСТВОРА
RAW MIXTURE FOR OBTAINING LIGHT-WEIGHT GROUTING MORTAR

Изобретение относится к области строительства нефтяных и газовых скважин, в частности к составам облегченных тампонажных растворов, предназначенных для крепления обсадных колонн в условиях нормальных и аномально-низких пластовых давлений, а также в интервалах с преобладанием многолетних мерзлых пород.
Изобретение направлено на решение задачи по эффективной герметизации затрубного и межтрубного пространства нефтегазовых скважин при креплении с одновременной защитой многолетних мерзлых пород от растепления в процессе эксплуатации скважин.
3
3
Известен тампонажный раствор, включающий портландцемент тампонажный, алюмосиликатные полые микросферы и 4%-ный раствор хлорида кальция, дополнительно содержащий понизитель водоотдачи - комплексный реагент ПС при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: портландцемент тампонажный 52,96-53,09, алюмосиликатные полые микросферы 9,34-9,37, комплексный реагент ПС 0,06-0,31 и 4%-ный раствор хлорида кальция 37,38-37,48. Технический результат - разработка облегченного тампонажного раствора плотностью 1,46 г/см с водоотдачей через глинистую корку 20-30 см за 30 минут (патент RU 2196876 C2, МПК E21B 33/138) - прототип.
3
3
3
Ближайшим аналогом является разработка в патенте RU 2272125 C1 (МПК E21B 33/138). Предложен облегченный тампонажный раствор, содержащий, мас.%: портландцемент тампонажный 48,46-60,00, алюмосиликатные полые микросферы 6,66-12,11, праестол марки 611 ВС 0,01-0,07, раствор хлорида кальция плотностью 1,03 г/см или растворы хлоридов кальция и натрия плотностью 1,03 г/см 33,33-41,15. Недостатком указанного аналога является повышенная плотность раствора (1200…1400 кг/м), и, как следствие, высокая теплопроводность камня, не обеспечивающая теплозащиты мерзлых пород вокруг скважины.
В описанных тампонажных растворах содержится до 12,5 мас.% керамических (алюмосиликатных) микросфер, что не позволяет достичь требуемых низких значений теплопроводности влажного тампонажного материала после затвердевания для возможности его использования в качестве теплозащиты многолетних мерзлых пород от растепления при эксплуатации скважины.
3
2
2
3
Известен также легкий тампонажный цемент (патент RU 2256774 C2, МПК E21B 33/138), применяемый в качестве строительного материала, в том числе для цементирования нефтяных, газовых и геотермальных скважин, имеющий плотность 1,1-1,4 г/см, состоящий из смеси одной из марок известного цемента и легковесного наполнителя, который добавляют в количестве 5,0-60,0 мас.% от массы смеси и который состоит из композиции, содержащей полые алюмосиликатные микросферы, каолин и поверхностно-активный гидроксид алюминия. Легковесный наполнитель содержит упомянутые компоненты в следующих количествах, мас.%: полые алюмосиликатные микросферы - 80,0-95,0, каолин - 3,0-15,0, поверхностно-активный гидроксид алюминия - 2,0-5,0. В качестве каолина может быть использован один из известных видов вторичных или обогащенных каолинов, содержащий 30,0-45,0 мас.% AlO. Поверхностно-активный гидроксид алюминия может быть получен низкотемпературной карбонизацией алюминатных растворов и имеет удельную поверхность 300-500 м/г. В качестве одной из марок известного цемента используют портландцемент марки ПЦТ 1-50 или ПЦТ 1-100 или любые цементы, применяемые в строительстве. Данное техническое решение отличается от патентуемой сырьевой смеси наличием в составе раствора каолина в количестве до 15% и поверхностно-активного гидроксида алюминия в количестве до 5%.
3
В патенте RU 2239050 C1 (МПК E21B 33/138) описан состав для получения однородного облегченного тампонажного раствора плотностью до 1200 кг/м, способ приготовления тампонажного раствора смешиванием тампонажного цемента с алюмосиликатными микросферами и затворением на жидкости. Предварительно смешивают с микросферами сухой порошкообразный полимерный понизитель водоотдачи в соотношении к массе тампонажного цемента, мас.%: микросферы 10-45, понизитель водоотдачи 0,15-0,45, смесь этих добавок перемешивают с указанным цементом и затем затворяют на жидкости - предварительно приготовленном 0,02-0,08% растворе пеногасителя трибутилфосфата при водотвердом отношении 0,6-0,85. В качестве сухих порошкообразных полимерных понизителей водоотдачи используют сульфоцелл, камцелл, оксиэтилцеллюлозу, поливиниловый спирт, полиакриламид. Данная разработка отличается от предлагаемого технического решения расходом микросфер (до 45% от массы портландцемента) и видом модификаторов.
3
Состав тампонажного раствора аналогичной плотности представлен в патенте RU 2151267 C1 (МПК E21B 33/138): портландцемент тампонажный 38,89-58,07; алюмосиликатные полые микросферы 6,45-17,14; глинопорошок 0,71-1,78; вода остальное. При затворении тампонажного раствора с облегчающей добавкой - алюмосиликатными полыми микросферами на глинистой суспензии, содержащей глинопорошок и воду, достигается технический результат - снижение плотности тампонажного раствора до 1,25 г/см при одновременном увеличении растекаемости раствора, улучшении седиментационной устойчивости и обеспечении остальных технологических параметров раствора и камня. Данная разработка отличается от предлагаемого технического решения расходом микросфер, наличием в составе глинопорошка (до 1,78%) и отсутствием модификаторов.
3
В патенте EA 003917 B1 (МПК C04B 22/14; C04B 28/02; C04B 28/02) представлен состав облегченного раствора для цементирования нефтяных скважин плотностью в интервале 900…1300 кг/м. Сырьевая смесь содержит 60…90% (об.) легковесных частиц с размером от 20 мкм до 350 мкм; 10…30% (об.) микроцемента с размером частиц 0,5…5 мкм; 0…20% (об.) с размером частиц 20…50 мкм; 0…30% (об.) гипса. Цементный камень характеризуется пористостью менее 45%. Для получения облегченного раствора могут использоваться полые микросферы, в особенности ценосферы, полые стеклянные микросферы из алюмонатрийборосиликатного стекла, керамические микросферы, полипропиленовые гранулы. Кроме того, указанные растворы могут содержать в своем составе одну или несколько нижеперечисленных добавок: диспергаторы, противоморозные добавки, водоредуцирующие добавки, ускорители и замедлители схватывания, пеногасители. Соотношение компонентов облегчающий наполнитель:микроцемент находится в следующих пределах - от 70:30 до 85:15. При этом процентное соотношение компонентов смеси (по объему) составляет: облегчающий наполнитель с диаметром частиц 100…400 мкм - 50…60%, облегчающий наполнитель с размером частиц 20…40 мкм - 35…40%; микроцемент - 5…20%. Главное отличие данной разработки от патентуемой сырьевой смеси - наличие в составе микроцемента (до 20 об.%) и гипса (до 30 об.%).
Сырьевая смесь для получения облегченного тампонажного раствора включает в себя: тампонажный портландцемент, облегчающий наполнитель (полые керамические микросферы), комплексную добавку и жидкость затворения.
В качестве вяжущего вещества используются портландцементы тампонажные по ГОСТ 1581-96. При нормальных температурах (15…50°C) рекомендуется применять портландцемент тампонажный ПЦТ-I-50 и ПЦТ-II-50, а при умеренных (50…100°C) - ПЦТ-I-100 и ПЦТ-II-100.
3
3
3
2
2
Наполнитель представляет собой полые керамические микросферы - КМС производства Фирмы «Стройтек» (г.Ногинск, Московская область) по ТУ-6-48-108-94. Насыпная плотность микросфер - 320…370 кг/м. Истинная средняя плотность - 750 кг/м. Средняя плотность материала оболочки микросферы - 2450 кг/м. Диапазон размеров находится в пределах 40…100 мкм. Наличие в составе смеси микросфер размером менее 60 мкм и более 250 мкм ограничено и не превышает 10%, теплопроводность микросфер 0,08 Вт/м·°C при 20°C. Состав внутренней газовой фазы CO~70%, N~30%. Предел прочности на сжатие - 15…29 МПа. Твердость оболочки по шкале Мооса 5…6.
3
В качестве модификатора использовалась комплексная добавка длительной жизнеспособности «Murapor Combi 756» фирмы «MC-Bauchenie Russia» средней плотностью 1,14…1,155 кг/дм. Комплексная добавка состоит из пластифицирующего компонента на основе сульфированного нафталинформальдегида, воздухововлекающего компонента - лаурилсульфатнатрия и замедлителя схватывания на основе нитрилотриметилфосфоновой кислоты.
В качестве жидкости затворения используется вода или 2…8%-ный водный раствор ускорителя сроков схватывания - хлорида кальция или хлорида натрия.
Расход КМС варьируется в пределах от 20 до 60% от массы портландцемента, расход модификатора 0,15…0,3% от массы портландцемента. Водоцементное отношение в пределах 0,67…1,03.
Таким образом, с учетом водоцементного отношения и расхода микросфер, соотношение компонентов раствора в % от массы сырьевой смеси следующее:
Тампонажный портландцемент
38…53,5%
Полые керамические микросферы
10,7…22,8%
Комплексная добавка «Murapor Combi 756»
0,114…0,16%
Жидкость затворения (вода или 2-8% раствор
хлорида натрия или хлорида кальция)
Остальное
Таблица 1
Составы и свойства облегченных тампонажных растворов с полыми керамическими микросферами
№
Доля компонентов раствора (% от массы цемента)
Доля компонентов раствора (% от массы сырьевой смеси)
В/Ц
ρ<sub>р</sub>, кг/м<sup>3</sup>
Сроки схватывания, ч-мин
ПЦТ
КМС
Вода<sup>1</sup>
МК
ПЦТ
КМС
Вода<sup>1</sup>
МК
начало
конец
1
100
20
67
0,3
53,47
10,69
35,68
0,16
0,67
1305
2-00
3-05
2
100
30
74
0,3
49,02
14,71
36,123
0,147
0,74
1205
3-05
4-10
3
100
40
85
0,3
44,44
17,78
37,647
0,133
0,85
1119
3-10
4-15
4
100
50
94
0,3
40,98
20,49
38,407
0,123
0,94
1057
3-10
4-40
5
100
60
103
0,3
38,02
22,81
39,056
0,114
1,03
1010
3-15
5-20
6
100
20
67(2)
0,3
53,47
10,69
35,68
0,16
0,67
1309
1-50
3-00
7
100
20
67(8)
0,3
53,47
10,69
35,68
0,16
0,67
1313
1-40
2-45
8
100
40
85(2)
0,3
44,44
17,78
37,647
0,133
0,85
1124
3-00
4-00
9
100
40
85(8)
0,3
44,44
17,78
37,647
0,133
0,85
1128
2-50
3-45
10
100
60
103(2)
0,3
38,02
22,81
39,056
0,114
1,03
1016
3-05
5-00
11
100
60
103(8)
0,3
38,02
22,81
39,056
0,114
1,03
1020
2-45
4-40
12
прототип
52,96
9,34
37,64<sup>2</sup>
0,06<sup>3</sup>
0,66
1464
1-20
2-10
Примечания: ρ<sub>p</sub> - средняя плотность раствора;
«МК» - комплексная добавка длительной жизнеспособности «Murapor Combi 756».
1 - жидкость затворения, включающая 2 или 8% раствор хлорида натрия или хлорида кальция (проценты концентрации раствора указаны в скобках).
2 - жидкость затворения прототипа включает 4% раствор хлористого кальция.
3 - комплексный реагент ПС.
Таблица 2
Физико-механические и теплофизические характеристики облегченного тампонажного камня с керамическими микросферами
№ п/п
Состав раствора, мас.%
ρ<sub>p</sub>, кг/м<sup>3</sup>
ρ<sub>к</sub>, кг/м<sup>3</sup>
R<sub>b</sub>, МПа
R<sub>btf</sub>, МПа
R<sub>сц</sub>, МПа
λ, Вт/(м·°C)
λ<sub>выс</sub>, Вт/(м·°C)
ПЦТ - 53,47
1
КМС - 10,69
1305
1300
3,36
1,4
2,3
0,54
0,26
МК - 0,16
Вода - 35,68
ПЦТ - 49,02
2
КМС - 14,71
1205
1180
3,5
1,4
1,7
0,44
0,09
МК - 0,147
Вода - 36,123
ПЦТ - 44,44
3
КМС - 17,78
1119
1108
3,54
1,3
1,5
0,45
0,10
МК - 0,133
Вода - 37,647
ПЦТ - 40,98
4
КМС - 20,49
1057
1028
2,95
1,27
1,1
0,38
0,088
МК - 0,123
Вода - 38,407
ПЦТ - 38,02
5
КМС - 22,81
1010
970
2,6
1,25
1,03
0,32
0,085
МК - 0,114
Вода - 39,056
ПЦТ - 53,47
6
КМС - 10,69
1309
1301
3,6
1,5
2,31
0,53
0,26
МК - 0,16
Вода<sup>1</sup> - 35,68
ПЦТ - 53,47
7
КМС - 10,69
1313
1303
3,5
1,45
2,28
0,52
0,256
МК - 0,16
Вода<sup>1</sup> - 35,68
ПЦТ - 44,44
КМС - 17,78
1124
1108
3,45
1,28
1,45
0,44
0,11
МК - 0,133
Вода<sup>1</sup> - 37,647
ПЦТ - 44,44
9
КМС - 17,78
1128
1112
3,35
1,32
1,4
0,43
0,112
МК - 0,133
Вода<sup>1 </sup>- 37,647
ПЦТ - 38,02
КМС - 22,81
1016
976
2,5
1,22
1,05
0,33
0,086
10
МК - 0,114
Вода<sup>1</sup> - 39,056
ПЦТ - 38,02
11
КМС - 22,81
1020
980
2,55
1,2
1,0
0,325
0,087
МК - 0,114
Вода<sup>1</sup> - 39,056
Прототип:
ПЦТ - 52,96
12
КМС<sup>4 </sup>- 9,34
1464
1450
3,92
1,5
2,15
0,69
0,38
Вода<sup>2</sup> - 37,64
ПС<sup>3</sup> - 0,06
Примечания: ρ<sub>p</sub> - средняя плотность раствора;
ρ<sub>к</sub> - средняя плотность камня;
R<sub>b</sub> - предел прочности на сжатие;
R<sub>btf</sub> - предел прочности на растяжение при изгибе;
R<sub>сц</sub> - прочность сцепления со сталью;
λ - теплопроводность камня во влажном состоянии;
λ<sub>выс</sub> - теплопроводность камня в высушенном состоянии.
1 - жидкость затворения, включающая 2 или 8% раствор хлорида натрия или хлорида кальция (проценты концентрации раствора указаны в скобках).
2 - жидкость затворения прототипа включает 4% раствор хлористого кальция.
3 - комплексный реагент ПС.
4 - алюмосиликатные полые микросферы.
Облегченный тампонажный материал с керамическими микросферами приготавливается и закачивается с использованием традиционного цементировочного оборудования.
3
Технический эффект - получение облегченного тампонажного раствора с КМС средней плотностью 1010…1300 кг/м в зависимости от расхода микросфер и их насыпной плотности с прочностью тампонажного камня на растяжение при изгибе - не ниже 1,2 МПа в возрасте 2 сут. Коэффициент теплопроводности тампонажного камня в сухом состоянии 0,085…0,26 Вт/(м·°C).
Облегченные теплоизоляционные тампонажные растворы с КМС имеют повышенную однородность во времени: не расслаиваются, отсутствует всплытие микросфер и отстой воды. Такие растворы не требуют обязательного использования высокомолекулярных полимерных стабилизирующих добавок. Свойства
Таблица 3
Основные свойства тампонажных растворов с КМС
Средняя плотность раствора, кг/м<sup>3</sup>
1000
1100
1200
1300
Средняя плотность в сухом состоянии, кг/м<sup>3</sup>
800
900
1000
1100
Прочность при сжатии, МПа, не менее
2,6
2,8
6,5
7,5
Прочность при изгибе, МПа, не менее
1,2
1,3
1,5
2
Морозостойкость, циклы, не менее
35
50
75
75
Теплопроводность в сухом состоянии, Вт/м·°C
0,085
0,09
0,11
0,20
тампонажных материалов предлагаемых составов выгодно отличаются от облегченных тампонажных материалов с фильтроперлитом - ФП, вспученным вермикулитовым песком - ВВП, вспученным перлитовым песком - ВПП, полимерными полыми микросферами - ПМС и полыми стеклянными микросферами - ПСМС.
3
3
По сравнению с ближайшим аналогом достигнут технический результат, заключающийся в пониженной плотности раствора 1000 кг/м против 1300 кг/му аналога, при сохранении прочности на сжатие и изгиб. За счет этого снижается теплопроводность тампонажного камня, что обеспечивает предотвращение растепления горных пород вокруг скважины.
Разработанный раствор можно использовать в качестве пассивной теплозащиты многолетних мерзлых пород от растепления и, одновременно, как тампонажный материал в различных горно-геологических условиях.
Применение предлагаемого теплозащитного материала дает возможность значительно снизить трудовые, энергетические, материальные и финансовые затраты при строительстве, повысить надежность при эксплуатации нефтяных и газовых скважин.