Расширяющийся тампонажный состав для низкотемпературных скважин

 

Изобретение относится к области получения облегченных быстротвердеющих расширяющихся тампонажных составов. Предназначен для цементирования скважин в суровых климатических условиях Крайнего Севера, крепления многолетнемерзлых и трещиноватых пород, предотвращения гидроразрывов пласта, газопроявлений и растепления ММП, повышения герметичности скважин. Затворение тампонажного портландцемента для холодных скважин суспензиями торфа в растворах сернокислого алюминия в предлагаемом тампонажном составе осуществляется при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: тампонажный портландцемент для холодных скважин 35,5-56,5, сернокислый алюминий 2,0-5,0, торф 2,0-10,3, вода остальное. Технический результат - получение на основе однокомпонентного вяжущего тампонажного цемента ПЦТДО-50 облегченного тампонажного состава с высокой степенью расширения, технологичными сроками схватывания при низких температурах, пониженной теплопроводностью и эффективной адгезией к металлу обсадной колонны. 2 табл.

Изобретение относится к области получения облегченных быстротвердеющих расширяющихся тампонажных составов. Может быть использовано для цементирования скважин при низких температурах, креплении многолетнемерзлых и трещиноватых пород, в условиях аномально низких давлений пласта, для повышения герметичности газовых скважин.

Известны облегченные тампонажные растворы для низкотемпературных скважин, содержащие тампонажный цемент для "холодных" скважин, торф и ускоритель схватывания хлорид кальция [1]. К недостаткам этих составов относятся седиментационная неустойчивость, увеличенные сроки схватывания, пониженная прочность, усадка цементного камня.

Известен быстротвердеющий цементный раствор для тампонажных работ, комплексно включающий добавки сернокислого алюминия, алюмината натрия и гидроксид алюминия [2] . Недостатками указанного состава являются многокомпонентность, высокие плотность и теплопроводность, отсутствие способности к расширению.

Наиболее близким по технической сущности и составу к предлагаемому является облегченный тампонажный материал для низкотемпературных скважин, выбранный нами в качестве прототипа [3], содержащий, мас.%: Гипсоглиноземистый цемент - 42-57 Сфагновый торф - 5-8 Вода - Остальное Однако данный материал, взятый нами в качестве прототипа, имеет незначительную степень расширения, слабую адгезию к металлу, сравнительно высокую теплопроводность. При этом он содержит дорогостоящее специальное вяжущее.

Гипсоглиноземистый цемент получают, прибавляя к глиноземистому цементу 25-30% сульфата кальция в виде гипса или ангидрита. Глиноземистый цемент состоит в основном из низкоосновных алюминатов кальция. Содержание Al₂O₃ в нем - 30-50%, в то время как обычный тампонажный цемент для "холодных" скважин содержит 3-6% Al₂O₃.

Задачей настоящего изобретения является получение на основе стандартного тампонажного цемента марки ПЦТДО-50 облегченного тампонажного состава с высокой степенью расширения, технологичными сроками схватывания при низких температурах, пониженной теплопроводностью и эффективной адгезией к металлу обсадной колонны.

Поставленная задача технически решается приготовлением тампонажного состава с использованием облегчающей добавки торфа и расширяющейся основы - тампонажного цемента, затворенного на растворе сернокислого алюминия при следующем соотношении компонентов, мас.%: Тампонажный портландцемент для "холодных" скважин - 35,5-56,5 Сернокислый алюминий - 2,0-5,0 Торф - 2,0-10,3 Вода - Остальное Использованы тампонажный цемент ПЦТДО-50 по ГОСТ 1581-91; алюминий сернокислый по ГОСТ 3758-75; торф верховой товарный фрезерный влажностью 50-55% и размером частиц 0,1 - 0,5 мм.

В табл. 1 приведены составы суспензий торфа в растворе сульфата алюминия, используемые для приготовления данного состава, и составы предлагаемых тампонажных растворов. Экспериментально установлено, что при содержании компонентов в больших или меньших количествах от указанных выше пределов происходит ухудшение технологических и эксплуатационных характеристик предлагаемого состава.

Пример (приготовление состава N 5 по табл. 1).

В 125 мл воды растворяют 15 г сернокислого алюминия. В раствор всыпают 15 г (30-35 см³) торфа и перемешивают смесь на магнитной или механической лопастной мешалке 2-3 мин до получения устойчивой суспензии. Приготовленной суспензией затворяют 100 г цемента. (Суспензия не замерзает до - 7^oC и пригодна для затворения).

Данные табл. 2 свидетельствуют о том, что тампонажный состав согласно изобретению с оптимальным содержанием компонентов обладает лучшими технологическими и физико-химическими свойствами, чем известные ранее тампонажные растворы аналогичного назначения.

Анализ научно-технической и патентной информации о тампонажных составах показал, что применение сульфата алюминия в качестве расширяющей добавки и в полифункциональном качестве: расширяющая добавка, ускоритель схватывания и твердения, противоморозная добавка - неизвестно. Таким образом, предлагаемое техническое решение соответствует критерию "новизна".

При затворении однокомпонентного "вяжущего, тампонажного цемента для холодных" скважин, суспензиями торфа в растворах сернокислого алюминия не являлись очевидными: 1) возрастание адгезии тампонажного камня к металлу; 2) снижение теплопроводности тампонажного камня; 3) значительное расширение тампонажного камня (при положительных и отрицательных) температурах в результате оптимальной кристаллизации высокосульфатной формы гидросульфоалюмината кальция, эттрингита: 3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·31H₂O. Это позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого решения критерию "изобретательский уровень".

Предлагаемое техническое решение также отвечает и критерию "промышленная применимость", так как заявляемый состав может быть практически использован при креплении низкотемпературных скважин уже в настоящее время. В производственных условиях (на буровой) его можно приготовить, используя стандартное оборудование.

Преимущества предлагаемого технического решения заключаются в следующем:
1. Расширение тампонажного камня, сформировавшегося из предлагаемого состава, и высокая адгезия к металлу способствуют сохранению и упрочению контакта между камнем, породой и обсадной колонной. Следствием этого является надежная герметизация заколонного и межколонного пространства, предотвращающая газопроявления в скважине.

2. Пониженная теплопроводность тампонажного камня и способность к быстрому твердению и развитию прочности даже при отрицательной температуре, создание возможности герметичного цементирования в интервалах ММП и предотвращение растепления.

3. Низкая стоимость тампонажного состава за счет замены дорогостоящего вяжущего и сокращение расхода тампонажного цемента.

Таким образом, заявленное техническое решение в сравнении с прототипом позволило решить поставленные задачи.

Источники информации
1. Тампонажные растворы пониженной плотности для цементирования газовых скважин в сложных геологических условиях Крайнего Севера. Обзорная информация ВНИИЭгазпрома. - М.: 1982, вып. 6, с. 5-13. (Аналог).

2. Авторское свидетельство N 1728474 E 21 B 33/138 опубл. 23.04.92. Бюл N 15. (Аналог).

3. Авторское свидетельство N 834330 E 21 B 33/138. Опубл. 30.05.81. Бюл. N 20 (Прототип).

Формула изобретения

Расширяющийся тампонажный состав для низкотемпературных скважин, содержащий быстротвердеющую расширяющуюся основу, облегчающий наполнитель - торф и воду, отличающийся тем, что в качестве быстротвердеющей расширяющейся основы используется тампонажный портландцемент для холодных скважин и сернокислый алюминий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Тампонажный портландцемент для холодных скважин - 35,5 - 56,5
Сернокислый алюминий - 2,0 - 5,0
Торф - 2,0 - 10,3
Вода - Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3