Дисперсноармированный тампонажный раствор для цементирования нефтяных и газовых скважин

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

„„Я0„„1055853 А

3(Я) F 21 В 33/138

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

4 15

0,3 1,0

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (2.1) 3462034/22-03 (22) 05.07,8 2 (4B) 23. 1 1.83. Бюл. No 43 (72) В.С. Башкутов, E.С,Тангалычев, В.С. Да|пошевски |, О, К. Ангелопуло, Н.Х,Каримов, К.И.Чепижный и М.К.Николаева (71) Московский ордена Труцового Красного Знамени институт нефтехимической и газовой промышленности им. И.М.Губкина (53) 622,245.42 (088.8) (56) 1. Финогенов И.С. Облегченный волокнистый шлак осиликатный раствор для цементирования обсадных колонн в скважинах с температурой 100 150 С.

"Бурение", 1965, N. 5, 2. Авторское свицетельство СССР по заявке № 3294347/22-03, кл. Е 21 В 33/138, 1981 (прототип}. (54)(57) ДИСПЕРСНОАРМИРОВАННЪ|Й

ТАМПОНАЖНЪ|Й РАСТВОР ДЛЯ ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ

СКВАЖИН, содержащий силикатный и/или хлорсиликатный портланццемент, жидкость затворения, волокнистые кристаллы синтетических гицросиликатов кальция или магния и/или их прироцных аналогов и микроармируюшую добавку, о т л и ч а— ю ш и и с я тем, что, с целью повышения .прочности цементного камня при растяжении в ранние и позцние сроки тверцения, цеформативности, трещиностойкости и термосолестойкости в интервале температур 50-250 С при плотности о раствора от 1,86 цо 1,4 г/см, он дополнительно содержит саморассыпаюшийся высококальциевый шлак ипи хроматный шлам, жицкое натриевое стекло и реагент

СЗ на основе отхоца произвоцства меламинформальцегицной смолы, а в качестве микроармируюшей добавки — силикокристаллит при слецуюшем соотношении компонентов, мас.ч:

Силикатный и/или хлор силикатный -портланццемент 100

Жидкость затворения 55-1 65

Силикокристаллит 5- 50

Волокнистые кристаллы синтетических гицросиликатов кальции или магния и/или их прироцных аналогов

С аморассыпаюшийся высококальциевый шлак или хроматный шлам, 15 30

Жидкое натриевое стекло 1-3,5

Реагент СЗ на основе отхода производства меламинформальцегицной смолы

853 2

Однако известный раствор не является облегченным, поскольку с увеличением количества арматуры и особенно волокон большой цлины ухуцшаются технологические свойства композиции.

Раствор не является расширяющимся, что снижает эффективность его использования при наличии соленосных отложений и агрессии минерализоввнных пластоBbK воц, Силы сцепления волокнистой арматуры в ранние сроки твердения небольшие, так как силы ацгезии волокна к матрице в этот периоц обусловлены механическими и физическими факторами (шероховатость, поверхности волокна и силы трения). б

Целью изобретения является повышение прочности цементного камня при растяжении в ранние и позцние сроки тверцения, цеформативности и. трещиностойкости термостойкости в интервале температур о

50 125 С при плотности раствора от

186 цо 14г/см.

Указанная цель достигается тем, что ,цисперсноармированный тампона жный раствор цля цементирования нефтяных и газовых скважин, соцержащий силикатный и/или хлорсиликатный портландцемент, жидкость затворения, волокнистые кристаллы синтетических гицросиликатов кальция или магния и/или их природньи аналогов и микроврмирующую цобавку, цополнительно содержит саморассыпающийся Фысакокальциевый шлак или хроматный шлам, жидкое натриевое стекло и реагент

СЗ на основе отхоца произвоцства меламинформвльдегидной смолы, а в качестве микроармирующей цобввки — силикокристаллит при следующем соотношении компонентов, мас,ч:

Силикатный и цти хлорсиликатный портландцемент

Жидкость затворения

С иликокриствллит

Волокнистые кристаллы синтетических гидросиликатов кальция или магния и/или их прироцных аналогов

Саморассыпающийся высококальциевый шлак или хроматный шлем

Жицкое натриевое стекло

Регент С3 на основе отхоца производства меламинф орм вльдегидной смолы

100

55-165

9-50

4-15

15-30

1-3,5

0,3 1,0

Изобретение относится к твмпонажным материалам, облацаквцим высокими прочностными и цеформативными свойствами, а также трещиностойкостью и термосолестойкостью, и монсет быть использовано для крепления горячих" нефтяных и газовых скважин как в нормальных условиях, так и при наличии зон АНПД, агрессии минервлизованных воц и наличии в разрезе соленосных отложений, прецпочтительно, когца существует опасность разрушения цементного камня в результате его взаимодействия с обсацной колонной(нагретатательные и газовые скважины с высоким внутренним давлением, гидрорвзрыв пластов,термическое воздействие на пластикыс использованием пара высоких параметров) .

Известны тампонажные растворы, содержащие вяжущее, волокнистую цобавку и воцу. В качестве волокнистой добавки используется тонкораспущенный асбест низких сортов (марки M-6-40} в количестве 18% от веса вяжущего. С увели чением процентного соцержания асбеста . плотность раствора снижается цо

1,43 г/си (1) .

Растворы являются термосолестойкими„ однако температурный циапвэон его при-, менения невелик — до 125 С. С увео личением процентного соцержания асбеста. от 0 до 18%,. прочность снижается на

15-25% по сравнению с камнем без цобавки. Цементный камень имеет низкие значения трещиностойкости и цеформативности. Раствор имеет довольно высокий коэффициент воцоотдепения (4,8—

7,2%), что является весьма нежелательным обстоятельством особенно при наличии в разрезе соленосных отложений, поскольку в результате растворения солей образуется зазор межцу цементным коль- 4О цом и стенками скважины.

Наиболее близким к изобретению по составу и технической сущности является цисперсноврмированный твмпонажный раствор, состоящий из силикатного и/или 45 О хлорсиликатного портландцемента, жидкости затворения, волокнистых кристаллов синтетических гицросиликатов кальция или магния и/или их природных аналогов, микроармирующей цобавки, жидких кремнийорганических полимеров типа олигоорганогицрицсилоксвнов, порошкообраэных кремнийорганических соединений типа влкилсиликонатов; пвлыгорскита. Известный раствор обладает высокими прочностными и 55 деформативными свойствами, ймеет высокую трешиностойкость и деформатнв. ность в интервале 20 — 200 С P2 g

Таблица 1

100 (50% силикатный и 50% хлорсиликатный) Вяжущее (портландцемент) 100 (силикатный) 100 (хлорсиликатный) 55 (25 -ный раствор КС() Жидкость затворе ния

140 .(25%-ный раствор NaСВ) 165 (25% ный раствор Ц СР ) 3 1055

При наличии в разрезе скважины сопеносиях отложений или минералиэованных ппастовых воп в качестве жидкости затворения используются скважинные минерализованные воды или растворы солей, I

5 слагающих разрез скважины.

В качестве микроармирующей, облегчакапей и термосолестойкой побавки используются так называемые силикокристаллиты. 10

Известны и выпускаются промьппленностью слоистые (сипласт), волокнистые (сивол) и каркасные силикокристаллиты.

С иликокристаллит содержит 80,0 99,9% высокоактивного. кремнезема, в силу чего в среде цементного камня является активной затравкой. Неровности, образую щиеся на поверхности силикокристаллитов в результате процесса пекатионированин ("дырки" от вымытых в раствор катионов), способствуют увеличению прочности сцепления арматуры и цементной матрицы.

Кроме того, стехиометрия раствора благодаря наличию активного кремнезема изменяется в сторону уменьшения отношений С/5 (СцО/Ь О ), благоприятных пля преимущественного образования высокопрочных низкоосновных гицросиликатов кальция. Последние имеют, как правило, нитевипное или игольчатое строение и способствуют повышению прочности, а также придают композиции высокие термосолестойкие свойства.

Введение силикокристаллита цо 50% позволяет получать облегченные писперсноармированные композиции плотностью по 1,4 г/смЗ, сохраняющие высокие прочностные и деформативные свойства.

В качестве расширяющего компонента 40 . при температуре по 80 С использу0 ется высококальциевый саморассыпаю853 4 щийся шлак (отхоц завоцов ферросплавного производства) с соцержанием окиси капьция > 40%.

При температуре выше 90 С в качесто ве расширяющейся побавки используется хроматный шлам, соперзйпций, Ъ) СуО

35,76;%30g 4,45; Н О 31,29; FeO

7,46; А(уО 8,74; СГ О 6,36;МАО

0,64. Потери при прокалнвании 5,3%.

Наличие в составе композиции расширякипей цобавки обеспечивает плотный контакт цементного кольца с окружающими породами, что особенно важно при креп1 ленни скважин в соленосных отпоиениях, причем увеличивается прочность сцепления арматуры с матрицей аа счет дополнительного обжатия.

Отходы асбестового произвоцства (отходы асбестовых руц, получаемых при переработке серпентиннта) - волокнистый материал. Срецний химический состав от» хоцов асбестового производства Кустанай, ского асбеста, вес.%: М О 38,99; S 0g

39,16; Fe O> 7,2; СаО 0 87; Ко О 0,22.

Потери прн прокаливании 11,43.

В качестве копьмататора пор используется жицкое натриевое стекло "0 0 I3

Gi0q (силикатный модуль И 2 - 3,5), плотностью p = 1350 — 1500 кг/м . При, 3" его взаимодействии с минерапизованной пластовой жицкостью ипи солями образу ются соединения, упрочнякщие цементный камень (например,) а СО ), и гель кремнезема, копьматнрующий лоры камня.

Пластификатор СЗ на основе отхопа производства меламинформальцегидной смолы снижает воцопотребность композиции и способствует равномерному распрецеле нню армирующих компонентов в среце це» ментной матрицы за счет снинення внут реннего трения в системе.

Предлагаемые составы тампонажных растворов приведены в табл. 1.

1055 883,Продолжение табл. 1

15

Макроармирующая добавка (отходы асбестового производства) 30

Микроармируюшая добавка (силикокристаппит) 15 25 (высококапь- (хромат« циевый шлак) ный шпам) Расширяющая добавка

30 (хроматный шпам) 3,5

Кольмататор пор (жидкое стекло) Пластификатор . (реагент СЗ) 1,0

О, 7

0,3

Базовая рецептура по нижним" пределам содержания компонента.

Оптимальный состав.

Базовая рецептура по верхним" пределам содержания компонента.

В качестве вянущего используют любой силикатный тампонажный цемент, а также хлорсипикатный портпандцемент ипи смесь силикатного и хпорсипикатного вя35 муаего

В качестве жщкости затворенияминерапизованную ппастовую воду ипи раствор солей,слагаюших разрез скважины. >

В качестве макроармирующей добавки - отходы асбестового производства - волок- нистый - материал. Могут быть испопьзо ваны.такие базальтовые волокна, щелочностойкие стеклянные волокна и цр.

В вачестве микроармирующей добавки используют сипикокристаппиты — высокоКремнистые активные материалы слоистого, волокнистого, каркасного строения (сиппаст, синоп, карбоппаст и др).

В качестве расширяющей цобавки—

Ю с аморассыпающи йся высококальциевы и шпак - отход заводов ферросппавного производства (при забойных температурах до 900С) ипи хроматный шлам (при температурах выше 90 С).

В качестве копьмататора пор — товарное натриевое жидкое .стекло.

В качестве суперппастификаторареагент С3 на основе мепаминформальдегидной смолы.

СЬойства предлагаемых и известных тампонажных растворов и цементного камня на их основе приведены в табл, 2-4; деформативные свойства и трешиностойкость исследованных композиций — в табл, .5.

1055853

Таблица 2

Температура, С

Прочность при

; сжатии кг/см

Прочность при растяжении, кгl см

Прочность при растяжении, г

Прбчность .при .Сжатии кг/см

2 сут 8су 90 сут

2сут 28сут Осу

2 сут 28сут 90 сут

2 сут 28сут 90 сут

50 150 108 145

100 54, 6 66, 0 69, 1 191 249 264 32, 5 35, 6 39, 9 128 130 174

250 60,0 70,1 76 5 236 320 361 39, 2 43,7 48, 1 157 164 220

Таблица 3

Температура, <С

Прочность при сжатии ° кг/см z

Прочность при растяжении, кг/см

Прочность при сжатии, кг/см

Прочность при растяжении, кг/ м

2сут 28сут 90сут

2сут 28 сут 90 су

2 сут 8 сут 90 сут

2 сут 28 сут 90 сут

50 19 8204 23,9 61 69 89 361 390 44 2 145 160 179

100 22,1 24, 7 26,3 78 86 110 . 53, 0 65, 9 68,0 190 240 250

250 25, 6 29,2 30,8 107 119 146 52, 2 .61,1 59,8 200 210 215

Состав 1 .Плотность: 18, 6 г/см, Растекаемость: 18, 5 см

Начало схватывания:

1ч 40мин - 2ч 50мин

Конец схватывания:

2ч 45мин - 4ч 35мин

Состав 3

Плотность: 1, 4 г/см

Растекаемость: 18 см

Начало схватывания:

2 ч 30 мин — 4 ч 55 мин

Конец схватывания:

Зч 40мин - бч 55 мин

Состав 2

Плотность: 1, 56 г/cd

Растекаемость: 19, 0 см

Начало схватывания:

2 ч 10 мин - 4 ч 20 мин

Конец схватывания:

3 ч 15 мин - 6 ч 25 мин

Известный (1).

Плотность: 1,78 г/см

Растекаемость: 20 см

Начало схватывания:

2ч 10мин — Зч 30мин

Конец схватывания:

2 ч 55 мин — 4 ч 50 мин

1055853

Таблица 4

Известный 2)

Плотность: 1, 65 г/см

Растекаемость: 21 см

Начало схватывания:

3 ч 30 мин - 4ч 50 мин

Конец схватывания:

4ч 45мин - 7ч 35мин

Облегченный портландцемент дпя горячих скважин Карадагского

Плотность: 1, 42 г/см

Растекаемость: более 18 см

Начало схватывания: 2ч 35 мин

Конец схватывания: 4 ч 15 мин

Температура, вс завода! Прочность при растяжении, кг/см

Прочность при

ClKB THR кг/см 2

Прочность при сжатии, кг/см

Прочность llp0 растяжении, /

2сут 28сут 90 сут

2сут 28су 90 сут 2сут28сут 90 сут 2сут 28су Jò

50 .19,019,5 19,8 49 55 80

8,) . 25 36 46

6,6 7,3

8,0 9, 1 10,2 39 48 61

250 16,4 17, 6 17, 9 64 88 84 6,3 .7,9 8, 3 41 50 55

Таблица

Сквозных трещин О, 016 не обнаружено

6,5

1, 15

3, 81

3, 7

1,09

О, 012

О, 0095

О, 015

0,0075

2, 99

2,5

1,00

1,90

Известный (1) 3, 57

Известный (2) 1,18

1,05

0,93

2Q ив через 180 сут с бив через 2 8 сут

100 19,3 20,1 21,4 61 68 79

Анализ табл. 1 - 4 показывает, что

40 при оптимальном соотношении компонентов дисперсноармированные термосолестойкие расширякициеся тампонажные сос-тавы нормальной плотности имеют прочл ность при растяжении большую, чем у из45 вестного. По мере роста температуры и срока твердения набаодается закономерный рост. прочности.

Облегченные ..дисперсноармированные тампонажные растворы имеют прочность 0 при растекании в 2-3 раза большую, чем у неармированных составов той же плотности. Следует отметить, что значения прочисти обпегченных дисперсноармированных составов превышают прочность 55 неармированнык с ocr авов н ормальн ой плотности. Как видно из табл. 5, оптимальны1е, составы имеют высокие значения трещиностойкости под действием статических и динамических нагрузок. При измерении трещиностойкости по методу кольца сквозных трещин в камне из дисперсноармированных растворов не образуется.

Вследствие высокой цисперсности сипласта и цемента после их совместной обработки в дезинтеграторной установке раствор имеет высокую стабильность и нулевое водоотделение.

Цементный камень на основе предлагаемых составов является термосолестойким, Значения коэффициента термокоррози. онной стойкости К C 1,00-1,15

1055853

Составитель В. Гришанов

Техрец С.Мигунова Корректор А. Лзятко

Рецактор H. Джуган

Заказ 9259/26 Тираж 603 Поцписное

ВНИИПИ Госуцарственного комитета (ХСР по цепам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж -335, Раушская наб., ц. 4/5

Филиал ППП Патент", r. Ужгороц, ул. Проектная, 4

Величина Кс опрецеляется при тверцении образцов цементного камня при повышенных температурах в, растворах разпичных солей.

Указанные составы имеют необхоцн-, мые технологические свойства, отвечаю» шие требованиям ГОСТ 1.581-78 Портланццементы тампонамше .