Газоцементный состав

 

Использование: тампонажные растворы для крепления слабосцементированных рыхлых пород и цементирования обсадных колонн нефтегазовых, геотермальных скважин. Сущность изобретения: газоцементный состав включает следующие компоненты, мас. ч.:тампонажный цемент 100; алюминиевая пудра 0,200 - 0,70; смешанный комплексон аммонийнонатриевых солей аминополикарбонатовых кислот 0,010 - 0,035; вода 52,980 - 53,465, преимущественно на 1 мас.ч. алюминиевой пудры приходится 0,05 мас.ч. смешанного комплексона аммонийнонатриевых солей аминополикарбоновых кислот. При приготовлении смеси в воду последовательно вводят при перемешивании смешанный комплексон аммонийнонатриевых солей аминополикарбоновых кислот, алюминиевую пудру, затем полученной суспензией растворяют цемент. Полученный газоцементный состав характеризуется динамическим сопротивлением сдвигу 38-81 дПа, временем начала газовыделения 40 мин - 1 ч 20 мин, пористостью цементного камня 53,6 - 60,5%, прочностью при раскалывании через 2 сут твердения 1,48 - 2,21 МПа. 1 з. п. ф-лы.

Изобретение относится к бурению, в частности к тампонажным растворам, предназначенным для крепления слабосцементированных рыхлых пород и цементирования обсадных колонн нефтегазовых, геотермальных и специальных скважин.

Известен состав газоцементного тампонажного раствора [1] указанный в техническом решении на способ цементирования скважин, содержащий следующие компоненты, мас.ч. Цемент 100 Алюминиевая пудра 0,05-0,5 Вода 50-52 Недостатком указанного состава тампонажного раствора являются неудовлетворительные технологические свойства, обусловленные преждевременным газовыделением и повышенным динамическим сопротивлением сдвигу, что приводит к низкой растекаемости тампонажного раствора и потере его подвижности. Эти процессы происходят за счет быстрого взаимодействия алюминия с гидроксидом кальция жидкой фазы цементного раствора с последующим образованием коллоидного раствора гидроксида алюминия и появлением в нем коагуляционной структуры. Указанное ведет к осложнениям в работе оборудования, в частности к возможности прихвата инструмента, а преждевременное газовыделение к снижению показателя пористости цементного камня.

В качестве прототипа взят газоцементный состав [2] содержащий следующие компоненты, мас.ч.

Тампонажный цемент 64,6 Жидкое стекло 1,55 Хлористый натрий 1,29 Алюминиевый порошок 0,13 Вода 32,3 Недостатком указанного газоцементного состава являются неудовлетворительные технологические свойства, обусловленные преждевременным газовыделением и повышенным динамическим сопротивлением сдвигу, что приводит к потере подвижности раствора и повышению его структурной вязкости.

Эти процессы происходят за счет взаимодействия жидкого стекла с алюминиевым порошком (совместно с гидроксидом кальция) с образованием водорода и комплексной соли гидроалюминита натрия. Промежуточным продуктом этих реакций является гидроксид алюминия, обусловливающий образование первоначальной коагуляционной алюминатной структуры, что в конечном итоге осложняет работу оборудования и не обеспечивает возможность применения состава при умеренных температурах ввиду невозможности его прокачивания в зону цементирования. Кроме того, преждевременное газовыделение приводит к частичной потере порового давления раствора, при этом понижаются пористость и проницаемость образующегося цементного камня.

Технический результат изобретения улучшение технологических свойств раствора за счет замедления газовыделения и снижения динамического сопротивления сдвигу.

Технический результат достигается с помощью состава, включающего тампонажный цемент, алюминиевую пудру, воду и регулятор газовыделения щелочного типа, который в качестве последнего содержит смешанный комплексон аммонийнонатриевых солей аминополикарбоновых кислот (СКАСАК), при следующем соотношении компонентов, мас.ч.

Тампонажный цемент 100 Алюминиевая пудра 0,200-0,700 СКАСАК 0,010-0,035 Вода 52,980-53,465, причем на 1,00 мас.ч. алюминиевой пудры приходится 0,05 мас.ч. СКАСАК.

Используют тампонажный цемент марки ПЦТ-100; алюминиевую пудру по ГОСТ 5494-71; СКАСАК по ТУ 6-09-5285-86, выпускаемый Волгоградским ПО "Химпром".

Предлагаемый газоцементный состав явным образом не следует из уровня техники. Известно использование тринатриевой соли 2-оксипропилен-1,3-диамино-N, N, N',N'-тетра- уксусной кислоты и динатриевой соли нитрилотриуксусной кислоты с целью увеличения сроков схватывания и загустевания тампонажного раствора (авт.св. СССР N 1513129, кл. Е 21 В 33/138, 07.10.89).

Изобретение имеет изобретательский уровень.

СКАСАК представляет собой смешанный комплексон аммонийнотринатриевой соли 2-гидроксипропилен-N,N,N',N';-диаминтетрауксусной кислоты и аммонийнодинатриевой соли нитрилотриуксусной кислоты N-CH₂--CH₂-N × 7Na При вводе СКАСАК в тампонажный раствор, жидкая фаза которого насыщена гидроксидом кальция и содержит соединения Аl³⁺, происходит взаимодействие ионов кальция и алюминия с комплексоном с образованием устойчивых хелатных комплексов. Высокая реакционная способность композиций на основе солей аминополикарбоновых кислот обусловлена удачным подбором лигандов и их концентрационных соотношений в СКАСАК.

Условная схема образования комплексоната кальция в части взаимодействия иона кальция с комплексоном аммонийнодинатриевой соли нитрилотриуксуной кислоты, обозначенным Na₂NH₄(nta), следующая: [ Условная схема образования комплексоната алюминия в части взаимодействия иона алюминия с комплексоном аммонийнотринатриевой соли 2-гидроксипропилен N, N, N',N'-диаминтетрауксусной кислоты, обозначенным Na₃NH₄(hpdta), cледующая: 2H
Cпособность комплексона избирательно "находить", "изолировать" и прочно удерживать катионы кальция и алюминия в хелатных соединениях за счет создания циклических структур несколькими химическими связями влияет на технологические свойства цементного раствора.

Связывание Ca²⁺ в устойчивые комплексные соединения с помощью СКАСАК приводит к замедлению реакции взаимодействия гидроксида кальция с алюминиевой пудрой, сопровождающейся выделением водорода.

3Ca(OH)₂+2Al+6H₂O __→ Ca₃[Al(OH)₆]₂+2H
Кроме того, отставание по времени указанной реакции связано с наличием парафиновой пленки, покрывающей алюминий, которая впоследствии удаляется цементным частицами при перемешивании и прокачивании раствора. После доставки последнего на необходимую глубину уже в скважине происходит газовыделение, так как при механическом воздействии во время прокачивания раствора комплексонаты кальция и алюминия разрушаются. При таком механизме физико-химических процессов в тампонажном растворе, где исключено преждевременное газовыделение и потеря за счет этого части водорода, образующийся цементный камень будет иметь максимальное газосодержание, а, следовательно, и наибольшую пористость, необходимую для сохранения коллекторских свойств пласта.

Образующиеся при связывании Аl³⁺ и СКАСАК комплексы препятствуют появлению первоначальной коагуляционной алюминатной структуры цементного раствора, сопровождающийся повышением структурной вязкости и динамического сопротивления сдвигу. Снижение сопротивления сдвигу при вводу СКАСАК возможно также за счет его высокой диспергирующей способности. Диспергент ослабляет силы сцепления цементных частиц и дробит их на более мелкие, сразу же покрывающиеся гидратной оболочкой. Благодаря свойству водных оболочек снижать внутреннее трение в системе происходит уменьшение динамического сопротивления сдвигу.

П р и м е р 1. Для более точного дозирования комплексона используют его 1% -ный раствор, который готовят из товарного продукта 25%-ной концентрации. Для приготовления 1 л 1%-ного раствора берут 40 г товарного продукта и 960 мл воды, перемешивание ведут до получения однородного раствора коричневого цвета, плотность которого равна 1004 кг/м³, что для практического применения позволяет считать ее примерно равной 1000 кг/м³.

К 520 мл (52 мас.ч.) воды приливают 10 мл 1%-ного раствора СКАСАК, содержащего 0,100 г (0,010 мас.ч.) сухого вещества и 9,9 мл (0,99 мас.ч.) воды. В полученный раствор вводят при перемешивании 2 г (0,2 мас.ч.) алюминиевой пудры до получения однородной суспензии. Указанные количества реагентов обеспечивают заявленное соотношение 0,05 мас.ч.1,00 мас.ч. Суспензией затворяют 1000 г (100 мас.ч.) поpтландцемента.

Проводят лабораторные испытания: динамическое сопротивление сдвигу 81 дПа; время начала газовыделения 55 мин; пористость цементного камня 57,3% прочность на раскалывание за 2 сут твердения 2,21 МПа.

П р и м е р 2. Готовят газоцементный состав при следующем соотношении компонентов, мас.ч./г:
Тампонажный цемент 100/1000
Алюминиевая пудра 0,700/7,00 СКАСАК 0,035/0,350
(в пересчете на
1%-ный раствор
берут 35 мл, в кото-
ром содержится
34,65 мл (3,465
мас.ч.) воды) Вода 53,465/534,650
(с учетом 1%-ного
раствора СКАСАК,
берут 500 мл
(50 мас.ч.) воды)
Проводят все операции так, как указано в примере 1. Динамическое сопротивление сдвигу 38 дПа, время начала газовыделения 1 ч 15 мин, пористость цементного камня 60,2% прочность на раскалывание за 2 сут твердения 1,62 МПа.

П р и м е р 3. Готовят газоцементный состав при следующем соотношении компонентов, мас.ч./г:
Тампонажный цемент 100/1000
Алюминиевая пудра 0,400/4,00 СКАСАК 0,020/0,200
(в пересчете на
1%-ный раствор
берут 20 мл, в кото-
ром содержится
19,8 мл (1,98
мас.ч.) воды) Вода 52,980/529,800
(с учетом 1%-ного
раствора СКАСАК
берут 510 мл
(51 мас.ч.) воды).

Проводят все операции так, как указано в примере 1. Динамическое сопротивление сдвигу 56 дПа, время начала газовыделения 1 ч 10 мин, пористость цементного камня 53,6% прочность на раскалывание за 2 сут твердения 1,89 МПа.

П р и м е р 4. Готовый газоцементный состав при следующем соотношении компонентов, мас.ч./г:
Тампонажный цемент 100/1000
Алюминиевая пудра 0,720/7,200 СКАСАК 0,036/0,360
(в пересчете на
1%-ный раствор
берут 36 мл, в кото-
ром содержится
35,64 мл (3,564
мас.ч.) воды) Вода 53,480/534,800
(с учетом 1%-ного
раствора СКАСАК
берут 499,16 мл
(49,916 мас.ч.)
воды).

Проводят все операции так, как указано в примере 1. Динамическое сопротивление сдвигу 45 дПа, время начала газовыделения 1 ч 20 мин, пористость цементного камня 59,4% прочность на раскалывание за 2 сут твердения 1,48 МПа.

П р и м е р Готовят газоцементный состав при следующем соотношении компонентов, мас.ч./г:
Тампонажный цемент 100/1000
Алюминиевая пудра 0,701/7,010 СКАСАК 0,035/0,350
(в пересчете на
1%-ный раствор
берут 35 мл, в кото-
ром содержится
34,65 мл (3,465
мас.ч.)% воды) Вода 53,465/534,650
(c учетом 1%-ного
раствора СКАСАК
берут 500 мл (50
мас.ч.) воды)
Проводят все операции так, как указано в примере 1. Динамическое сопротивление сдвигу 39 дПа, время начала газовыделения 1 ч 5 мин, пористость цементного камня 60,5% прочность на раскалывание за 2 сут твердения 1,60 МПа.

П р и м е р 6. Готовят газоцементный состав при следующем соотношении компонентов, мас.ч./г:
Тампонажный цемент 100/1000
Алюминиевая пудра 0,199/1,990 СКАСАК 0,009/0,090
(в пересчете на
1%-ный раствор
берут 9 мл, в кото-
ром содержится
8,91 мл (0,891
мас.ч.) воды) Вода 52,988/529/880
(с учетом 1%-ного
раствора СКАСАК,
берут 520,97 мл
(52,097 мас.ч.) воды).

Проводят все операции так, как указано в примере 1. Динамическое сопротивление сдвигу 86 дПа, время начала газовыделения 40 мин, пористость цементного камня 56,2% прочность на раскалывание за 2 сут твердения 2,06 МПа.

Содержание алюминиевой пудры в газоцементном составе менее 0,200 мас.ч. не обеспечивает образование цементного камня с повышенной пористостью, а более 0,700 мас.ч. нецелесообразно, так как дальнейшего улучшения показателей не происходит.

Содержание СКАСАК в газоцементном составе в количестве менее 0,05 мас.ч. на 1,00 мас.ч. алюминиевой пудры уменьшает время газовыделения, а более 0,05 мас. ч. замедляет сроки схватывания и твердения, замедляя гидратацию цемента и снижая прочность тампонажного камня.

Содержание воды в газоцементном составе в предлагаемых пределах обусловлено необходимостью обеспечения растекаемости тампонажного раствора не менее 18 см для его прокачивания в зону укрепления рыхлых пород.

По сравнению с прототипом предлагаемый газоцементный состав обеспечивает улучшение технологических свойств раствора за счет замедления газовыделения в 5,5-8 раз, снижения динамического сопротивления сдвигу 7-16 раз, что предотвращает преждевременное выделение газа во время приготовления раствора и его транспортировку в скважину, способствует надежной работы оборудования, успешному проведению операций по креплению слабосцементированных рыхлых пород и цементированию обсадных колонн в скважинах.

Формула изобретения

1. ГАЗОЦЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ, включающий тампонажный цемент, алюминиевую пудру, регулятор газовыделения щелочного типа и воду, отличающийся тем, что в качестве регулятора газовыделения щелочного типа содержит смешанный комплексон аммонийнонатриевых солей аминополикарбоновых кислот при следующем соотношении компонентов, мас.ч.

Тампонажный цемент 100
Алюминиевая пудра 0,200 0,700
Смешанный комплексон аммонийно-натриевых солей аминополикарбоновых кислот 0,010 0,035
Вода 52,980 53,465
2. Состав по п.1, отличающийся тем, что он содержит 0,05 мас.ч. смешанного комплексона аммонийнонатриевых солей аминополикарбоновых кислот на 1,00 мас.ч. алюминиевой пудры.