Способ приготовления облегченного тампонажного раствора

 

Изобретение относится к креплению нефтяных и газовых скважин и может быть использовано для приготовления облегченных тампонажных растворов при цементировании обсадных колонн в условиях аномально низких пластовых давлений и наличия агрессивных сред. Способ приготовления облегченного тампонажного раствора путем смешивания тампонажного портландцемента и жидкости затворения содержит в качестве жидкости затворения суспензию, включающую компоненты при их соотношении к массе цемента, мас.ч.: сульфацелл 0,3-0,5, хлорид кальция 2,0-5,0, суперпластификатор С-3 0,3-0,4, микросферы 5,0-7,0, вода 54,0-68,0, при этом предварительно готовят водный раствор сульфацелла, хлорида кальция и суперпластификатора С-3, в который добавляют микросферы, после чего на полученной суспензии затворяют тампонажный цемент. Технический результат - получение цементного камня повышенной прочности и низкой удельной газопроницаемости при твердении в условиях нормальных и умеренных температур. 1 табл.

Изобретение относится к креплению нефтяных и газовых скважин и может быть использовано для приготовления облегченных тампонажных растворов при цементировании обсадных колонн в условиях аномально низких пластовых давлений и наличия агрессивных сред.

Известен способ приготовления тампонажного раствора путем перемешивания цемента, добавки, наполнителя и воды, причем предварительно готовят суспензию асбеста на водном растворе нитрилотриметилфосфоновой кислоты, после чего ее перемешивают с цементом /1/.

Для приготовления тампонажного раствора по указанному способу в качестве облегчающей добавки используется асбест, который является экологически небезопасным продуктом. Данный раствор не обеспечивает достаточную прочность формируемого цементного камня и его безусадочность.

Известен также способ приготовления облегченного тампонажного раствора, при котором предварительно готовят смесь кремнегеля и фосфогипса в соотношении, близком 1:1, затем эту смесь добавляют к портландцементу и затворяют необходимым количеством воды, причем количество смеси и воды берут в зависимости от требуемой плотности раствора /2/.

Недостатками способа являются сложность приготовления сухой тампонажной смеси, повышенное водосодержание тампонажного раствора и как следствие низкая прочность цементного камня.

Наиболее близким к заявляемому по назначению и совокупности существенных признаков является способ получения облегченного тампонажного раствора путем смешения тампонажного портландцемента, сульфата натрия, добавки на основе модифицированного кремнезема с жидкостью затворения, при котором перед смешением компонентов сульфат натрия и добавку на основе модифицированного кремнезема диспергируют в жидкости затворения в количестве 10-15% от массы цемента, при этом в качестве добавки на основе модифицированного кремнезема используют гидросил в количестве 7-12% от массы цемента, а сульфат натрия - в количестве 1 мас.ч. к 1-4 мас.ч. гидросила /3/.

В известном изобретении приготовление качественной жидкости затворения (устойчивой суспензии гидросила) при указанном составе ингредиентов и технологии диспергирования в промысловых условиях затруднительно. Тампонажный раствор, приготовленный по данному способу, не стабилен по плотности и имеет высокую водоотдачу, а формируемый цементный камень обладает недостаточной прочностью и повышенной удельной газопроницаемостью.

Заявляемое изобретение решает задачу повышения качества крепления скважин за счет обеспечения седиментационно-суффозионной устойчивости облегченного цементного раствора, высокой прочности и низкой удельной газопроницаемости цементного камня.

Для решения поставленной задачи согласно предлагаемому способу приготовления облегченного тампонажного раствора путем смешивания тампонажного портландцемента и жидкости затворения, в качестве которой используют суспензию, включающую компоненты при их соотношении к цементу, мас.ч.: Сульфацелл - 0,3 - 0,5 Хлорид кальция - 2,0 - 5,0 Суперпластификатор С-3 - 0,3 - 0,4 Микросфера - 5,0 - 7,0 Вода - 54,0 - 68,0 при этом предварительно готовят водный раствор сульфацелла, хлорида кальция и суперпластификатора С-3, в который добавляют микросферы, после чего на полученной суспензии затворяют тампонажный портландцемент.

Достигаемый технический результат состоит в том, что при использовании в составе жидкости затворения микросфер, введенных в водный раствор сульфацелла, хлорида кальция и суперпластификатора С-3, они в течение длительного времени (более 1 сут) находятся во взвешенном состоянии, а приготовленный тампонажный раствор имеет ограниченную водоотдачу, что обеспечивает седиментационно-суффозионную устойчивость тампонажного раствора и его стабильность по плотности. Пониженное водосодержание раствора обеспечивает получение цементного камня повышенной прочности и низкой удельной газопроницаемости при твердении в условиях нормальных и умеренных температур, что в конечном итоге позволяет повысить качество крепления скважин.

Известно применение стеклянных микросфер в качестве облегчающей добавки в тампонажные растворы /4/.

В заявляемом техническом решении применение в качестве жидкости затворения суспензии, включающей сульфацелл 0,3 - 0,5 мас.ч., хлорид кальция 2,0 - 5,0 мас.ч., суперпластификатор С-3 0,3 - 0,4 мас.ч., микросферы 5,0 - 7,0 мас. ч. и вода 54 - 68 мас.ч., добавку микросфер производят в предварительно приготовленный водный раствор сульфацелла, хлорида кальция и суперпластификатора С-3, после чего на полученной суспензии затворяют цемент, обеспечивает решение новой технической задачи: повышение качества крепления скважин за счет обеспечения седиментационно-суффозионной устойчивости цементного раствора, высокой прочности и низкой удельной газопроницаемости цементного камня, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "изобретательский уровень".

Предлагаемый способ приготовления облегченного тампонажного раствора осуществляют следующим образом.

Предварительно готовят жидкость затворения, в качестве которой используют водную суспензию реагентов. В промысловых условиях для ее приготовления используют гидромешалку, входящую в комплект буровой установки. В лабораторных условиях при проведении опытов использовали лабораторную мешалку.

В лабораторной мешалке предварительно готовят водный раствор сульфацелла, в который добавляют хлорид натрия и суперпластификатор С-3 и перемешивают до получения однородного раствора. В полученный раствор добавляют микросферы и тщательно перемешивают до получения устойчивой суспензии с равномерно распределенными по всему объему частицами микросфер.

Приготовление жидкости затворения в промысловых условиях осуществляют в гидромешалке аналогичным образом.

На приготовленной суспензии осуществляют затворение тампонажного портландцемента по общепринятой технологии.

При проведении лабораторных исследований были использованы: - водопроводная вода; - сульфацелл (водорастворимая гидроксиэтилцеллюлоза) по ТУ 6-55-221-1210-91; - хлорид кальция по ГОСТ 450-77^*;
- суперпластификатор С-3 (добавка на основе натриевых солей продуктов конденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида) по ТУ 6-14-625-80;
- тампонажный портландцемент по ГОСТ 1581-96;
- микросферы стеклянные МС-А9 по ТУ 6-48-108-94, представляющие собой легкий сыпучий порошок белого цвета, состоящий из отдельных полых частиц сферической формы размером в пределах 15-200 мкм.

Для проведения лабораторных исследований были приготовлены тампонажные растворы с компонентными составами, приведенными в таблице.

ПРИМЕР
Для приготовления тампонажного раствора взяли 59 г водопроводной воды, растворили в ней 0,4 г сульфацелла, 3,3 г хлорида кальция и 0,3 г суперпластификатора С-3. После полного растворения реагентов и получения однородного раствора, добавили 6 г микросфер и интенсивно перемешивали до получения однородной устойчивой суспензии. Затем на полученной суспензии затворили 100 г тампонажного портландцемента (опыт 5).

Приготовление тампонажного раствора производили согласно ГОСТ 26798.0-85. Технические параметры тампонажного раствора: плотность, растекаемость и сроки схватывания определяли по ГОСТ 26798.1-85. Предел прочности цементного камня определяли по ГОСТ 26798.2-85. Водоотдачу тампонажного раствора определяли на приборе ВМ-6. Удельную газопроницаемость, характеризующую состояние пористой среды (цементного камня), определяли экспериментальным путем на специальной установке, описанной в работе (5), с использованием образцов цилиндрической формы диаметром 18 мм, высотой 18 мм.

Аналогичным образом были исследованы составы различной концентрации ингредиентов по заявляемому способу и по прототипу, а результаты представлены в таблице.

Анализ данных таблицы показывает, что тампонажный раствор, приготовленный по известному способу (опыты 1-3), имеет высокую водоотдачу, достигающую 300 см³ за 30 мин. При твердении в условиях нормальных и умеренных температур цементный камень имеет низкую прочность, а его удельная газопроницаемость составляет 2,5 - 3,1 м³ • 10^-3/ч•МПа. Водотвердое отношение тампонажных растворов находится в пределах 0,70 - 0,72.

Тампонажный раствор, приготовленный по заявляемому способу, с содержанием компонентов в заявляемых пределах (опыты 4-10) при водотвердом отношении в пределах 0,50 - 0,60 имеет технологические параметры, аналогичные с известным, однако водоотдача тампонажного раствора значительно ниже и находится в пределах от 40 до 95 см³ за 30 мин. При твердении тампонажного раствора в условиях нормальных температур цементный камень приобретает прочность при изгибе от 1,8 до 2,7 МПа, а в условиях умеренных температур от 5,0 до 5,7 МПа, что в 1,5-2 раза превышает показатели прочности по прототипу. Удельная газопроницаемость цементных образцов значительно ниже и составляет от 0 до 0,35 м³•10^-3 /ч•МПа.

При содержании микросфер в растворе менее 5 мас.ч. (опыт 11) тампонажный раствор имеет плотность 1,66 г/см³. Облегченные тампонажные растворы имеют плотность 1,40 - 1,65 г/см³, т.е. данный раствор уже выходит за категорию облегченных растворов и переходит в разряд нормальных растворов. При содержании микросфер более 7 мас.ч. (опыт 12) тампонажный раствор при твердении в условиях нормальных температур приобретает прочность камня 1,0 МПа, а при твердении в условиях умеренных температур - 3,6 МПа, т.е. наблюдается снижение прочности камня.

При содержании сульфацелла в тампонажном растворе менее 0,3 мас.ч. (опыт 13) водоотдача составляет 120 см³ за 30 мин, цементный камень имеет повышенную удельную газопроницаемость, достигающую 1,20 м³•10^-3 /ч•МПа. При содержании сульфацелла более 0,5 мас.ч. (опыт 14) тампонажный раствор имеет малую водоотдачу 50 см³ за 30 мин, удлиненные сроки схватывания от 12 до 20 ч, а цементный камень имеет низкую прочность 1,0 - 2,3 МПа и повышенную удельную газопроницаемость 0,95 м³•10^-3 /ч•МПа.

Содержание хлористого кальция менее 2 мас.ч. (опыт 15) удлиняет сроки схватывания от 12 до 20 ч, цементный камень имеет низкую прочность 0,7 - 1,5 МПа и высокую удельную газопроницаемость 2,0 м³•10^-3 /ч•МПа. При содержании хлористого кальция более 5 мас. ч. (опыт 16) тампонажный раствор имеет плотность 1,65 г/см³, высокую водоотдачу, достигающую 100 см³ за 30 мин, а удельная газопроницаемость цементного камня составляет 0,75 м³ • 10^-3 /ч•МПа.

При содержании суперпластификатора С-3 менее 0,3 мас.ч. (опыт 17) при среднем содержании других компонентов растекаемость раствора составляет 16 см, что делает его непригодным для закачивания в скважину в процессе цементирования. При содержании суперпластификатора С-3 более 0,4 мас.ч. (опыт 18) тампонажный раствор имеет удлиненные сроки схватывания 12-22 ч, низкую прочность цементного камня 1,3 - 2,1 МПа и повышенное значение удельной газопроницаемости 0,85 м³•10^-3 /ч•МПа.

Предлагаемое техническое решение обеспечивает при цементировании обсадных колонн в условиях аномально низких пластовых давлений и подъеме цементного раствора на значительную высоту в одну ступень создание в заколонном пространстве скважины надежного изолирующего материала за счет использования облегченного седиментационно-суффозионноустойчивого тампонажного раствора, при твердении которого формируется высокопрочный цементный камень с низкой удельной газопроницаемостью, что обеспечивает высокое качество крепления скважин.

Источники информации
1. Авт. свидетельство СССР N 939729, МКИ E 21 B 33/138, Б.И. N 24, 1982 г.

2. Авт. свидетельство СССР N 1465544, МКИ E 21 B 33/138, Б.И. N 10, 1989 г.

3. Авт. свидетельство СССР N 1818462, МПК E 21 B 33/138, Б.И. N 20, 1993 г. (прототип).

4. В. И.Вяхирев и др. "Облегчающая добавка к тампонажным растворам", Ж. Газовая промышленность, N 6, 1997 г., с.21-24.

5. В. С. Данюшевский и др. "Справочное руководство по тампонажным материалам", М., Недра, 1973 г., с. 261 - 276.

Формула изобретения

Способ приготовления облегченного тампонажного раствора путем смешивания тампонажного портландцемента и жидкости затворения, отличающийся тем, что в качестве жидкости затворения используют суспензию, включающую компоненты при их соотношении к массе цемента, мас.ч.:
Сульфацелл - 0,3 - 0,5
Хлорид кальция - 2,0 - 5,0
Суперпластификатор С-3 - 0,3 - 0,4
Микросферы - 5,0 - 7,0
Вода - 54,0 - 68,0
при этом предварительно готовят водный раствор сульфацелла, хлорида кальция и суперпластификатора С-3, в который добавляют микросферы, после чего на полученной суспензии затворяют тампонажный цемент.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2