ОБЛЕГЧЕННАЯ ТАМПОНАЖНАЯ СМЕСЬ
LIGHT-WEIGHT GROUTING MIXTURE

Изобретение относится к креплению нефтяных и газовых скважин с аномально низкими пластовыми давлениями (АНПД), а именно к облегченным тампонажным смесям с высокими изолирующими свойствами.
Известна облегченная тампонажная смесь, включающая вяжущее и кремнеземсодержащую добавку, в качестве которой содержит отход производства ферросилиция, образующийся в процессе восстановления кварца в электрической дуге (авт. св. 1507954, кл. E21B 33/138, опубл. 15.09.89, бюл. №34).
3
Недостатком этой облегченной смеси является высокая водоотдача, т.к. тампонажный раствор, получаемый из этой смеси, требует более высокого содержания воды и, как следствие, - низкой прочности камня, при плотности раствора 1,34-1,52 г/см.
Наиболее близкой по составу и назначению является облегченная тампонажная смесь, содержащая портландцемент тампонажный, алюмосиликатные микросферы, микрокремнезем конденсированный МК-85 и гранулированный хлорид кальция. Облегчение смеси достигается за счет алюмосиликатных микросфер / Патент №2255205, МПК E21B 33/138, опубл. 27.06.2005 бюл. №18.
Недостатком данной облегченной смеси является повышенная водоотдача приготовленного тампонажного раствора, низкая прочность сцепления камня с колонной, изменение плотности тампонажного раствора при давлениях более 15 МПа. Последнее обусловлено образованием микротрещин на поверхности полых алюмосиликатных микросфер и внедрением части жидкости затворения в полость микросфер с растворением газообразной составляющей, изменением соотношения твердой и жидкой фазы. При этом, помимо повышения плотности, происходит увеличение реологических показателей облегченного тампонажного раствора.
Указанные недостатки не позволяют обеспечивать надежную изоляцию затрубного пространства и могут быть причиной гидроразрыва пластов и недоподъема раствора до проектной высоты.
При создании изобретения решалась задача повышения качества крепления обсадных колонн в интервале проницаемых пластов с АНПД и пластов с низкими градиентами гидроразрыва.
Техническим результатом изобретения является разработка облегченной тампонажной смеси с повышенной изолирующей способностью за счет пониженной водоотдачи раствора, сохранения плотности раствора при повышенных давлениях, повышенной прочности сцепления камня с колонной и водонепроницаемости камня.
Решение поставленной задачи достигается тем, что облегченная тампонажная смесь включает тампонажный портландцемент, микрокремнезем МК-85, хлорид кальция, суперпластификатор СП-1 и понизитель водоотдачи натросол при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Портландцемент тампонажный
51,50-64,54
Микрокремнезем конденсированный МК-85
21,52-34,34
Хлорид кальция
10,30-10,33
Суперпластификатор СП-1
2,57-2,58
Натросол 250 EXR
1,03-1,29
Взаимное влияние компонентов друг на друга, их синергетическое действие в данной смеси позволяют получить облегченную (за счет микрокремнезема МК-85) смесь, из которой затворяют седиментационно устойчивый, стабильный по плотности во времени раствор (за счет натросола и хлорида кальция) и камень с повышенной прочностью сцепления и водонепроницаемостью.
Суперпластификатор СП-1 выполняет роль регулятора реологических свойств и в сочетании с хлоридом кальция и натросолом 250 EXR позволяет обеспечить низкие водоотдачу и проницаемость камня при заданных сроках твердения. Сочетание суперпластификатора СП-1, микрокремнезема МК-85 и хлорида кальция обеспечивает повышение прочности сцепления камня с колонной за счет усиления диспергирования микрокремнезема МК-85 и формирования тампонажного камня с более однородной структурой.
Для приготовления тампонажной смеси использовался портландцемент ПЦТ 1-50 по ГОСТ 1581-96 ОАО «Сухоложскцемент», микрокремнезем МК-85 по ТУ 5743-048-02495332-96 ООО «Братский завод ферросплавов», в качестве ускорителя схватывания - хлорид кальция по ГОСТ 450-77, для снижения фильтрации - натросол 250 EXR по ТУ 2231-001-32195737-2005 ОАО НТФ «Эфиры целлюлозы», в качестве пластификатора - суперпластификатор «Полипласт СП-1» по ТУ 5870-005-58042865-05 ООО «Полипласт-УралСиб» г.Первоуральск.
Определение основных свойств облегченного тампонажного раствора и камня, приготовленных из облегченной тампонажной смеси, проводили при температуре испытания (20±2)°C в соответствии с ГОСТ 26798.1-96 «Цементы тампонажные. Методы испытаний». Плотность определяли ареометром типа АБР-1 по методике, предусмотренной инструкцией по эксплуатации ареометра, растекаемость - по форме-конусу, седиментационную устойчивость определяли по водоотделению в цилиндре вместимостью 250 мл, водоотдачу за 30 мин - на приборе ВМ-6. Предел прочности камня на изгиб и сжатие определялись на испытательной машине для определения прочности цемента на сжатие/изгиб фирмы «CONTROLS», прочность на сцепление с металлом - на гидравлическом прессе П-10. Водопроницаемость определялась на приборе для определения проницаемости цементного камня фирмы «CHANDLER ENGINEERING» модели 2030 по методике, предусмотренной инструкцией прибора.
Облегченную тампонажпую смесь готовили следующим образом. Сухую смесь портландцемента тампонажного, микрокремнезема МК-85, хлорида кальция, суперпластификатора СП-1 и натросола 250 EXR в заданных соотношениях тщательно перемешивали и затворяли отмеренным количеством жидкости затворения (при В/С=1.5) в смесителе лабораторном СЛ-1. После этого замерялись параметры раствора и свойства сформированного камня.
Смесь прототипа также приготовлена в лабораторных условиях и замерены параметры, не приведенные в патенте.
Пример. Для приготовления 1 кг облегченной тампонажной смеси (таблица, состав 1) необходимо подготовить сухую смесь из 516,4 г тампонажного портландцемента, 344,2 г микрокремнезема, 103,3 г хлорида кальция, 25,8 г СП-1 и 10,3 г натросола. Состав перемешивают три минуты (при В/С=1,5) и определяют плотность, растекаемость, водоотделение и водоотдачу. Раствор заливают в формы для определения прочности камня па изгиб, сжатие, сцепление и в формы для испытания на водопроницаемость. Образцы до времени испытания выдерживают в термостате при температуре 20±2°C.
3
3
-3
2
Приготовленный состав имеет плотность 1,30 г/см, растекаемость 300 мм, водоотделение 0,0 мл, водоотдача 26,0 см. Прочность на изгиб - 0,75 МПа, прочность на сжатие - 2,2 МПа, прочность сцепления - 0,8 МПа, водопроницаемость 0,0006×10 мкм.
Примеры приготовления и испытания остальных составов, приведенных в таблице, аналогичны вышеописанному.
Для выявления отличительных признаков и положительного эффекта изменяли массовые соотношения ингредиентов.
3
3
Как видно из таблицы, заявляемая облегченная тампонажная смесь (при В/С=1,5) с оптимальным соотношением компонентов обладает лучшими свойствами, чем прототип, а именно, характеризуется повышенной изолирующей способностью за счет пониженной водоотдачи раствора (26,0 см), сохраняет плотность раствора при повышенных давлениях закачивания и продавливания, и водонепроницаемым, с повышенным сцеплением, камня с колонной (0,8 МПа). Раствор прототипа обладает повышенной водоотдачей (108 см), камень, сформированный из раствора, водопроницаемый и характеризуется низкой прочностью сцепления камня с колонной (0,4 МПа).
3
3
Равные количества портландцемента тампонажного и микрокремнезема МК-85 и уменьшение количества суперпластификатора СП-1 и натросола 250 EXR в составе предлагаемой облегченной смеси приводят к снижению водоотдачи (15,4 см), но при этом уменьшается растекаемость (170 мм) и возрастает плотность раствора (1,40 г/см). Максимальные значения портландцемента тампонажного и суперпластификатора СП-1 в составе смеси приводят к более высокому значению водоотдачи (50 см).
Таким образом, из тампонажного портландцемента, микрокремнезема МК-85, хлорида кальция, суперпластификатора СП-1 и натросола 250 EXR могут быть приготовлены облегченные тампонажные смеси с приемлемыми технологическими характеристиками, которые могут применяться для крепления обсадных колонн в интервале проницаемых пластов с АНПД и пластов с низкими градиентами гидроразрыва.
Таблица 1
Технологические свойства облегченной тампонажной смеси с микрокремнеземом МК-85, суперпластификатором СП-1, натросолом 250 EXR и хлоридом кальция
№ п/п
Состав облегченной тампонажной смеси, мас.%
Плотность, г/см<sup>3</sup>
Растекаемость, мм
Водоотделение, мл
Водоотдача за 30 мин, см<sup>3</sup>
Прочность, МПа,2 сут
Водопроницаемость камня, 2 сут,10<sup>-3</sup> мкм<sup>2</sup>
ПЦТ 1-50
МК-85
хлорид кальция
СП-1
250 EXR
изгиб
сжатие
сцепление
1
51,64
34,42
10,33
2,58
1,03
1,30
300
0,0
26,0
0,75
2,20
0,8
0,0006
2
64,54
21,52
10,33
2,58
1,03
1,32
275
0,0
17,5
0,8
2,20
0,9
0,0004
3
51,50
34,34
10,30
2,57
1,29
1,30
200
0,0
20,0
0,7
2,10
0,8
0,0001
Запредельные значения
4
45,13
45,13
7,22
1,81
0,71
1,40
170
0,0
15,4
1,4
3,2
1,2
0,0008
5
60,08
25,75
10,30
2,58
1,29
1,32
276
0,0
50,0
0,7
2,1
0,8
водонепрон.
Прототип
6
78,1
4,9
2,4
Асм - 14,5
1,45
225
0,8
108
1,3
3,4
0,4
0,0540