КИСЛОТОРАСТВОРИМЫЙ ТАМПОНАЖНЫЙ СОСТАВ
ACID-SOLUBLE BACKFILL COMPOSITION

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к строительству обычных и многозабойных скважин, а также к их ремонту, в частности к тампонажным составам, используемым для изоляции продуктивных пластов как в период строительства скважин, так и в период их капитального ремонта. Преимущественное использование предлагаемого состава рекомендуется при строительстве многозабойных скважин для установки опорного моста, который после реализации этой функции должен быть полностью удален из скважины.
При бурении многозабойных скважин применяется специальная оснастка, при использовании которой требуется полное удаление остатков опорного моста из скважины. В противном случае попадание остатков цементного камня в элементы оснастки может привести к осложнениям или аварийным ситуациям. Задача создания тампонажного состава, обеспечивающего при затвердевании получение прочного тампонажного камня и являющегося одновременно быстро кислоторастворимым (чтобы исключить растворение кислотой породы), является весьма актуальной.
Известен тампонажный состав для эксплуатации скважин (патент РФ №2320854, опубл. 2008 г.), вскрывших многопластовую нефтяную залежь с разной приемистостью, содержащий водный раствор следующих компонентов в соотношении, мас.ч.:
портландцемент
100
мел
10-40.
Недостатками указанного известного состава является его низкая прочность и длительное растворение цементного камня.
Также известен тампонажный состав для цементирования скважин (патент РФ №2203388, опубл. 2003 г.), приготовленный на базовой основе, содержащей, мас.%:
клинкер цемента
50
гипс
5,0
трепел
35
запечная пыль с электрофильтров
12,5
полиоксихлорид алюминия (сверх 100%)
1,3-1,5
водоцементное отношение
1,3
Недостатком указанного известного состава является его низкая прочность и недостаточная степень растворимости кислотой.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по компонентному содержанию является тампонажный раствор для цементирования нефтяных и газовых скважин, содержащий, мас.%: тампонажный цемент 15,8-27,5; хлорид натрия 3,8-6,1; золу-унос с суммарным содержанием оксида кальция и оксида магния от 6,66 до 9,60% - 13,2-19,3; цементную пыль с электрофильтров от отходящих газов вращающихся печей цементных заводов 13,2-19,3 и воду остальное (патент РФ №2026959, опубл. 1995 г.).
Указанный тампонажный состав разработан для условий умеренных температур. Лабораторные исследования, представленные в описании изобретения, проводились при температуре +75°C. Соответственно прочностные свойства этого состава при такой температуре намного выше, чем при испытании этого состава в нормальных температурных условиях 22°C±2°C. Известный тампонажный раствор характеризуется теми же недостатками, что и предыдущие аналоги.
Технический результат, достигаемый предлагаемым изобретением, заключается в обеспечении полной кислоторастворимости цементного камня в течение короткого промежутка времени 2-3 часов, при одновременном обеспечении его повышенной прочности, позволяющей использовать его в качестве опорного моста при зарезке многоствольных скважин и проведении операций, связанных с зарезкой нового ствола с сохранением его целостности.
Указанный технический результат обеспечивается предлагаемым кислоторастворимым тампонажным составом, включающим тампонажный портландцемент, цементную пыль с электрофильтров цементных заводов, добавку алюмосиликатного состава и воду, при этом согласно изобретению он дополнительно содержит гипсоглиноземистый расширяющийся цемент и суперпластификатор ЦЕМПЛАСТ МФ или Melflux, а в качестве добавки алюмосиликатного состава - алюмосиликатные микросферы, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
тампонажный портландцемент
17,6-33,5
гипсоглиноземистый расширяющийся цемент
3,3-17,6
указанная цементная пыль
3,3-20,1
указанный суперпластификатор
0,06-0,13
алюмосиликатные микросферы
6,7-30,0
вода
32,8-41,3.
Достижение указанного технического результата обеспечивается за счет определенного подбора компонентов (качественного и количественного) в заявляемом тампонажном составе, т.е. этот результат носит синергетический характер.
Пыль цементная с электрофильтров цементных заводов содержит много щелочей и по составу близка к исходному сырью при производстве стекла. Цементная пыль, являясь высокощелочной мелкодисперной добавкой, одной из первых вступает в химическую реакцию с кислотой. В тоже время, являясь мелкодисперсной добавкой, цементная пыль заполняет поровое пространство, снижает при этом пористость и проницаемость цементного камня, что препятствует проникновению кислотного раствора в глубину цементного камня. Пыль обеспечивает сохранение прочности цементного камня, при своей способности очень быстро растворяться. Эта добавка, по своей сущности, практически является цементом, но с очень высокой щелочностью, что ограничивает ее добавку в цемент.
2
2
3
2
3
2
2
Алюмосиликатные микросферы - это продукт переработки золы, образующейся при сжигании природного каменного угля. Микросферы представляют собой полые сферические частицы диаметром от 50 до 400 мкм со сплошными непористыми стенками, толщина которых от 2 до 10 мкм. Внутренняя полость частиц заполнена в основном азотом и двуокисью углерода. Химический состав алюмосиликатных микросфер, %: SiO (50-60), AlO (20-35), FeO (1,5-4,0), CaO (1-6), MgO (0,5-1,8), NaO (0,2-1,7), KO (0,2-2,5). Алюмосиликатные микросферы обладают очень низкой реакционной способностью. Их химический состав обеспечивает высокую устойчивость к кислотам и щелочам. Они pH-нейтральны и не влияют на химический состав или реакции материалов или изделий, в которых они используются. Стекловидная оболочка микросферы полностью непроницаема для жидкостей и газов.
Добавка указанных микросфер в композицию предлагаемого тампонажного состава снижает его плотность, при этом прочностные свойства цементного камня выше, чем с другими облегчающими добавками. При погружении в коррозионную среду образцов с добавкой микросфер наблюдается бурная реакция, сопровождающаяся выделением пузырьков газа, которая продолжается в течение 20-30 мин.
При этом микросферы не являются реакционноактивной добавкой, поэтому о влияние ее на растворимость можно предполагать. Можно предположить, что стенки микросфер под действие кислоты разрушаются и находящийся внутри микросферы углекислый газ вступает в реакцию, образуя при этом угольную кислоту, которая значительно ускоряет процесс коррозии (растворения) цементного камня.
Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент, представляющий собой гидравлическое и быстротвердеющее вяжущее вещество. Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент (ГГРЦ) производят путем помола смеси высокоглиноземистого шлака и двухводного сернокислого кальция. ГГРЦ содержит не более 30% гипса и характеризуется началом схватывания гидробетона не ранее 10 минут и концом схватывания не позднее 4 часов с момента начала затворения. Добавка ГГРЦ в тампонажный состав приводит к ускорению сроков схватывания, способствует быстрому набору прочностных свойств цементного камня и повышение прочности цементного камня на ранней стадии твердения цемента.
Использование суперпластификатора марок ЦЕМПЛАСТ МФ или Melflux в предлагаемом тампонажном составе позволяет обеспечить его подвижность в период загустевания, что позволяет закачивать цементный раствор в установленный интервал без осложнений.
Для получения заявляемого тампонажного состава в лабораторных условиях были использованы следующие вещества:
- тампонажный портландцемент марки ПЦТ IG-CC-1 ГОСТ 1581-96;
- Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент ГГРЦ ГОСТ 11052-74;
- цементная пыль с электрофильтров цементных заводов по ТУ 21-26-24-91;
- алюмосиликатные микросферы по ТУ 5712-010-80338612-2008;
- суперпластификатор марок:
- - ЦЕМПЛАСТ МФ (сульфированный меламинформальдегид) по ТУ 2223-011-40912231-2003;
- Melflux - полиэфиркарбоксилаты (поликарбоновые эфиры), водоредуцирующая добавка по степени пластификации в соответствии с ГОСТ 242111-91 относится к группе суперпластифицирующих, производитель: Degussa Constraction Polymers (SKW Trostberg, Германия); порошковый продукт, полученный методом распылительной сушки на основе модифицированного полиэфиркарбоксилата. Технические данные: форма - желтоватый порошок; насыпная плотность - 400-600 г/л; потери при нагревании - макс. 2,0 мас.%; 20% раствор при 20°С имеет рН 6,5-8,5. Особенности: - высокоэффективный диспергатор; - снижает усадку; - эффективен в широком диапазоне температур;
- вода техническая.
Возможность реализации заявляемого изобретения подтверждается следующим примером.
Пример. Для приготовления кислоторастворимого тампонажного состава в лабораторных условиях брали 370 г цемента марки ПЦТ I-G-СС-1, 100 г цемента марки ГГРЦ, 330 г алюмосиликатных микросфер, 200 г пыли цементной и добавляли суперпластификатор ЦЕМПЛАСТ МФ 2 г. Полученную тампонажную смесь тщательно перемешивали. Для приготовления жидкости затворения брали техническую воду 600 мл. Полученную тампонажную смесь затворяли жидкостью затворения. В результате получили тампонажный состав со следующим соотношением компонентов, мас.%: цемент - 23,1; ГГРЦ - 6,2; МСФ - 20,6; пыль цементная - 12,5; суперпластификатор ЦЕМПЛАСТ МФ - 0,12; вода - 37,48. Тампонажные составы с другим содержанием компонентов готовили аналогичным образом.
В лабораторных условиях были исследованы следующие свойства заявляемого кислоторастворимого тампонажного состава:
- плотность;
- растекаемость;
- сроки загустевания состава;
- сроки схватывания тампонажного состава;
а также исследовали следующие свойства цементного камня, полученного из указанного состава:
- предел прочности при изгибе;
- предел прочности при сжатии;
- растворимость цементного камня.
В качестве агрессивной кислотной среды, в которой испытывалась растворимость цементного камня, использовали 10%-ный водный раствор соляной кислоты.
Данные о компонентном содержании исследованных тампонажных составов приведены в таблице 1; данные об их свойствах - в таблице 2.
Таблица 1
Данные о компонентном содержании тампонажных составов
№ п/п
Компоненты тампонажного состава, мас.%
Цемент ПЦТ IG-СС-1
ГГРЦ
Пыль цементная
Алюмосиликатные микросферы
Пластификатор
Вода
1
17,62
17,6
8,81
14,68
0,09
41,29
2
23,1
6,1
12,5
20,6
0,13
37,47
3
30,0
3,33
3,33
30,0
0,06
33,28
4
33,5
6,7
20,1
6,7
0,13
32,87
Известные тампонажные составы
5
клинкер цемента 26,1
гипс 2,6
пыль цементная 6,53
трепел 18,27
ПОХА 0,68
вода 45,82
6
26,4
-
13,2
зола-унос 13,2
NaCl 6,1
41,1
Примечание: 1. В качестве пластификатора были использованы в опыте 2 - ЦЕМПЛАСТ МФ, в остальных - Melflux.
Данные, приведенные в таблицах 1 и 2, подтверждают, что заявляемый кислоторастворимый тампонажный состав отвечает требуемому качеству как состава, так и цементного камня, полученного из него. Предлагаемый состав имеет следующие преимущества перед известными:
- полная растворимость цементного камня в течение 2-3 часов;
- высокая прочность цементного камня, позволяющая производить зарезку новых стволов с опорного кислоторастворимого цементного моста.
Благодаря указанным свойствам, при использовании предлагаемого тампонажного состава в промысловых условиях будет обеспечиваться:
- изоляция продуктивных пластов в период строительства скважин и в период их капитального ремонта;
- защита от разрушения карбонатосодержащего коллектора;
- целостность цементного камня в период проведения работ при зарезке боковых стволов в процессе строительства многозабойных скважин;
- 100% удаление остатков цементного моста из скважины.
Таблица 2
Данные о свойствах предлагаемого и известных тампонажных растворов и тампонажного камня
Номер опыта из табл.1
Плотность, г/см<sup>3</sup>
Растекаемость, мм
Загустевание, до 30 Bc
Сроки схватывания, ч-мин
Предел прочности при изгибе, МПа
Предел прочности при сжатии, МПа
Растворимость, %
начало
конец
1
1,33
190
1-10
1-55
4-30
1,4
2,8
95
2
1,26
235
2-10
6-15
7-30
1,5
4,1
100
3
1,15
210
3-30
7-50
9-20
0,9
1,5
100
4
1,23
240
3-45
6-30
7-50
1,6
4,4
100
5
1,3
240
3-50
8-20
9-40
0,6
0,8
85
6
1,6
190
5-40
9-10
10-50
0,7
1,1
90