Тампонажный материал и способ его приготовления

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно, к расширяющимся тампонажным материалам, и может быть использовано при цементировании межколонного пространства в нефтяных и газовых скважинах в температурном диапазоне 10-30°С. Технический результат - получение тампонажного материала на основе магнезиального вяжущего, раствор которого характеризуется приемлемыми значениями времени загустевания и сроков схватывания, высокой седиментационной устойчивостью при одновременном обеспечении технологичности его приготовления, а цементный камень - высокой механической прочностью и повышенными значениями объемного расширения, обеспечивающего в условиях отсутствия доступа воды и влаги воздуха формирование прочного флюидонепроницаемого контакта его с обеими обсадными трубами в межколонном кольцевом пространстве. Тампонажный материал содержит порошок магнезитовый каустический, хлористый магний, триполифосфат натрия, суперфосфат двойной, крахмалосодержащий реагент и воду при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: порошок магнезитовый каустический - 48,61-50,43, хлористый магний - 12,75-13,80, триполифосфат натрия - 1,00-1,96, суперфосфат двойной - 0,25-0,50, крахмалосодержащий реагент - 0,12-0,37, вода - остальное. В качестве хлористого магния используют бишофит, в качестве крахмалосодержащего реагента - экструзионный крахмалосодержащий реагент марки ЭКР или реагент модифицированный набухающий крахмалосодержащий марки РМНК-2. В способе приготовления тампонажного материала путем затворения сухой смеси на основе порошка магнезитового каустического жидкостью затворения для приготовления указанного тампонажного материала в качестве сухой смеси используют смесь, состоящую из порошка магнезитового каустического, триполифосфата натрия и крахмалосодержащего реагента, а в качестве жидкости затворения готовят водный раствор хлористого магния с последующим введением в него суперфосфата двойного. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретения относятся к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к расширяющимся тампонажным материалам и способам их получения, и могут быть использованы при строительстве скважин, а именно, при цементировании межколонного пространства и обсадных колонн в интервалах безводной части вскрытого разреза в нефтяных и газовых скважинах в температурном диапазоне 10-30°С.

Известны расширяющиеся тампонажные материалы на основе портландцементного клинкера с добавками, например, гипсоглиноземистого цемента, выпускаемые в промышленных масштабах по ТУ 5734-004-002066492-02 "Цемент тампонажный расширяющийся облегченный для арктических условий" и по ТУ 5736-002-00282205-98 "Цемент тампонажный арктический".

Недостатком известных тампонажных материалов является то, что расширяющийся цементный камень они формируют только в условиях подпитки пластовыми водами, содержащимися в породах, слагающих стенки скважины. При отсутствии доступа воды к тампонажному раствору, размещенному в кольцевом межколонном пространстве, как правило, формируется цементный камень, характеризующийся невысокой прочностью и отсутствием объемного расширения, а чаще - усадкой. В результате между цементным камнем и обсадными трубами образуются микрозазоры, наличие которых исключает возможность обеспечить герметичность крепи межколонного пространства в глубоких скважинах. Следствием некачественного цементирования являются многочисленные случаи аварий и осложнений по причине поступления пластовых флюидов (нефть, газ) по межколонному пространству к устью добывающих скважин, ускоренная коррозия обсадных труб, возникновение экологических проблем в районе дислокации нефтедобывающих объектов.

Другой существенной проблемой, возникающей из-за некачественного цементирования межколонного пространства (наличие в нем зазоров между недостаточно прочным цементным камнем и обсадными трубами), является невозможность в этих условиях применения метода акустической цементометрии (АКЦ), благодаря которому оценивают состояние во времени крепи за внешней обсадной колонной. В результате невозможно своевременно принимать меры, исключающие возникновение аварийных ситуаций.

Также известен тампонажный материал, содержащий следующие ингредиенты, мас.%: каустический магнезит 48,54-53,24; хлорид магния 23,97-27,89; щелок черный моносульфитный 2,44-4,89; вода - остальное (Патент РФ №2060360, кл. Е 21 В 33/138, 1994).

Однако указанный известный тампонажный материал имеет короткие сроки загустевания и схватывания, не является расширяющимся и поэтому не может быть использован для формирования герметичной крепи в межколонном пространстве.

Высокое качество цементирования межколонного пространства, защита обсадных труб от коррозионного разрушения и возможность контроля во времени состояния крепи за внешней колонной могут быть достигнуты только применением тампонажных материалов, раствор которых седиментационно устойчив, а цементный камень характеризуется повышенной прочностью в условиях отсутствия доступа к нему воды и влаги воздуха, и при этом обладает величиной объемного расширения, достаточной для создания давления его скелета на ограничивающие поверхности (стенки) обсадных труб.

Также известен тампонажный материал (Авторское свидетельство СССР №1183660, кл. Е 21 В 33/138, от 1983 г.), содержащий следующие ингредиенты, мас.%:

Каустический магнезит

(порошок магнезитовый каустический)	43-45,9
Хлористый магний	15,6-17,0
Триполифосфат натрия	0,45-3,0
Вода	остальное

Этот тампонажный материал может обеспечить более высокое качество крепления скважин в межколонном пространстве по сравнению с тампонажными материалами на основе портландцемента.

Недостатками указанного известного тампонажного материала являются короткие сроки загустевания и схватывания, пониженная седиментационная устойчивость раствора, а также недостаточно высокие значения объемного расширения цементного камня, формирующегося в условиях отсутствия свободного доступа к нему воды и влаги воздуха. В совокупности эти недостатки приводят к ухудшению качества цементирования межколонного пространства в нефтяных и газовых скважинах и препятствуют эффективному применению известного тампонажного материала.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности является тампонажный материал, содержащий магнезит каустический, триполифосфат натрия, суперфосфат двойной, крахмальный реагент, шлам производства магния и воду при следующем соотношении ингредиентов, мас.ч: магнезит каустический - 0,5; триполифосфат натрия - 0,06; суперфосфат двойной - 0,02; крахмальный реагент - 0,007; шлам производства магния - 1 и вода - 0,67 (заявка РФ №2003105775, опубл. 20.12.2004, описание 11 с.).

Однако указанный известный материал характеризуется следующими недостатками:

- необходимостью обеспечения специальных мер безопасности при работе с порошкообразным шламом магниевого производства, содержащим безводный хлористый магний, который при контакте с увлажненной кожей и слизистыми оболочками глаз и дыхательных путей вызывает термический ожог;

- высокой гигроскопичностью порошкообразного шлама магниевого производства, что не позволяет проводить работы по приготовлению сухого тампонажного материала в условиях повышенной влажности окружающего воздуха. В результате контакта приготовленного материала с влагой воздуха происходит быстрая потеря им химической активности, его комкование и схватывание;

- сложностью регулирования технологических свойств раствора этого материала (время загустевания, сроки схватывания) по причине крайне непостоянного состава шлама производства магния, а также наличия в нем безводного хлористого магния, вызывающего при затворении водой резкий рост температуры (до 100°С) реакционной массы тампонажного раствора, что, в свою очередь, приводит к быстрому повышению значений реологических показателей раствора до технологически не приемлемых для использования раствора по прямому назначению (приготовлению, осреднению, закачке и продавке в скважину). Это объясняется моментальным "завариванием" крахмального реагента и лавинообразным образованием оксихлоридов с участием химически высокоактивного при такой температуре каустического магнезита. Сокращение же количества каустического магнезита в системе с целью получения тампонажного раствора с требуемыми значениями реологических показателей применительно к условиям солевого разреза приводит к увеличению сроков схватывания цементного раствора и формированию цементного камня с низкими прочностными и адгезионными характеристиками, а также с высокой газоводопроницаемостью;

- наличием в цементном камне химически не связанных легкорастворимых хлоридов калия и натрия, а также периклаза, резко снижающих коррозионную стойкость цементного камня в условиях контакта с пластовыми водами;

- шлам производства магния является комовым материалом, что не дает возможность использовать его для приготовления тампонажного материала без предварительного помола, представляющего собой экологически опасный производственный процесс. Учитывая вышеизложенное, указанный известный тампонажный материал практически невозможно использовать в промысловых условиях.

Известен способ приготовления тампонажного материала путем затворения сухой смеси, содержащей каустический магнезит (порошок магнезитовый каустический) и триполифосфат натрия, жидкостью затворения, представляющей собой водный раствор хлористого магния (Авторское свидетельство СССР №1183660, кл. Е 21 В 33/138, от 1983 г.).

Однако тампонажный материал, полученный указанным известным способом, характеризуется рядом недостатков:

- короткими сроками загустевания и схватывания,

- пониженной седиментационной устойчивостью раствора,

- недостаточно высокими значениями объемного расширения цементного камня, формирующегося в условиях отсутствия свободного доступа к нему воды и влаги воздуха.

Единый технический результат, достигаемый предлагаемыми изобретениями, заключается в получении магнезиального тампонажного материала, раствор которого характеризуется приемлемыми значениями сроков загустевания и схватывания, высокой седиментационной устойчивостью, а формирующийся из него в условиях отсутствия доступа воды и влаги воздуха расширяющийся цементный камень - необходимыми значениями увеличения объема, повышенными значениями механической прочности и прочности его сцепления со стенками обсадных труб, при одновременном обеспечении технологичности его приготовления.

Указанный технический результат обеспечивается предлагаемым тампонажным материалом, содержащим порошок магнезитовый каустический, хлористый магний, триполифосфат натрия, суперфосфат двойной, крахмалосодержащий реагент и воду, при этом соотношение ингредиентов следующее, мас.%:

порошок магнезитовый каустический	48,61-50,43
хлористый магний	12,75-13,80
триполифосфат натрия	1,00-1,96
суперфосфат двойной	0,25-0,50
крахмалосодержащий реагент	0,12-0,37
вода	остальное

В качестве хлористого магния используют бишофит.

В качестве крахмалосодержащего реагента материал содержит экструзионный крахмалосодержащий реагент марки ЭКР или реагент модифицированный набухающий крахмалосодержащий марки РМНК-2.

Для достижения единого технического результата для заявляемой группы изобретений предлагается способ приготовления тампонажного материала путем затворения сухой смеси на основе порошка магнезитового каустического жидкостью затворения, при этом для приготовления указанного тампонажного материала в качестве сухой смеси используют смесь, состоящую из порошка магнезитового каустического, триполифосфата натрия и крахмалосодержащего реагента, а в качестве жидкости затворения готовят водный раствор хлористого магния с последующим введением в него суперфосфата двойного.

Достижение указанного технического результата обеспечивается за счет следующего.

При вводе в предлагаемый тампонажный материал двойного суперфосфата и крахмалосодержащего реагента при их заявленном количественном соотношении, по-видимому, образуются комплексные соединения, обладающие высокой агрегативной устойчивостью в концентрированных растворах хлористого магния, которые, взаимодействуя с наиболее активными зернами порошка магнезитового каустического, образуют на их поверхности слаборастворимые комплексы, замедляющие процесс гидратации.

Повышенное значение объемного (скелетного) расширения цементного камня предложенного материала, по-видимому, объясняется более эффективным расширяющим действием триполифосфата натрия, взятого в предложенном количественном соотношении, при замедлении процесса структурообразования цементного камня.

Способ приготовления предлагаемого тампонажного материала в промысловых условиях осуществляется следующим образом:

- предварительно с использованием серийной цементосмесительной техники готовят сухую смесь, содержащую в указанных количествах порошок магнезитовый каустический, триполифосфат натрия и крахмалосодержащий реагент;

- смесь тщательно перемешивают до получения однородной массы;

- отдельно с использованием перемешивающих устройств готовят жидкость затворения, для чего вначале готовят водный раствор хлористого магния и затем вводят в этот раствор суперфосфат двойной;

- далее на приготовленной жидкости затворяют сухую смесь по обычной технологии и после осреднения закачивают в скважину.

Для приготовления предлагаемого тампонажного материала, предназначенного для цементирования межколонного пространства, используют следующие вещества:

- порошок магнезитовый каустический по ГОСТ 1216-87;

- хлористый магний технический по ТУ 2152-018-00203944-97 или раствор бишофита по ТУ 2152-006-00203944-99;

- суперфосфат двойной по ГОСТ 16306-80Е;

- триполифосфат натрия по ГОСТ 13493-86Е;

- крахмалосодержащий реагент: марки ЭКР по ТУ 2483-002-41686452-97, или реагент модифицированный набухающий крахмалосодержащий (РМНК-2) по ТУ 9196-010-41686452-2003;

- вода техническая с общей жесткостью до 12 мг-экв./л.

При смешивании указанных веществ в предлагаемой последовательности образуется заявляемый тампонажный материал, седиментационно-устойчивый раствор которого в течение технологически необходимого времени может быть доставлен в межтрубное пространство за цементируемой обсадной колонной. После доставки и размещения тампонажного раствора в межколонном кольцевом пространстве в условиях отсутствия свободного доступа воды происходит его схватывание и твердение с образованием расширяющегося цементного камня, формирующего напряженный, непроницаемый для жидкости и газа контакт с обеими колоннами.

Возможность осуществления заявляемого изобретения подтверждается следующим примером.

Пример. Для приготовления предлагаемого тампонажного материала вначале готовят сухую тампонажную смесь, состоящую из порошка магнезитового каустического марки ПМК-83, триполифосфата натрия марки "технический" 1 сорта и экструзионного крахмалосодержащего реагента марки ЭКР. Для этого 49,51 г порошка магнезитового каустического тщательно перемешивают с 1,49 г триполифосфата натрия и с 0,25 г крахмалосодержащего реагента. Одновременно с приготовлением сухой смеси, используя водный раствор бишофита (водный раствор хлористого магния) и добавляя в него в последующем двойной суперфосфат, готовится жидкость затворения, содержащая 35,12 г воды, 13,26 г хлористого магния и 0,37 г двойного суперфосфата. Полученную сухую тампонажную смесь порошка магнезитового каустического, триполифосфата натрия и крахмалосодержащего реагента затворяют приготовленной жидкостью затворения, перемешивают в течение 3 минут.

Составы предлагаемого тампонажного материала с другим содержанием ингредиентов готовят аналогичным образом.

Затем определяют значения показателей свойств полученного тампонажного материала и цементного камня, формировавшегося в течение двух суток при 19-21°С в условиях отсутствия его контакта с водой и влагой воздуха.

В процессе проведения испытаний полученного тампонажного материала определялись значения показателей технологических характеристик его раствора - плотность, начальная консистенция, время загустевания и сроки схватывания, седиментационная устойчивость, а также свойства цементного камня, характеризующие его пригодность для герметизации межколонного пространства - предел прочности при изгибе, прочность сцепления с огибающей металлической поверхностью, объемное (скелетное) расширение.

Данные о содержании ингредиентов и свойствах известного и предлагаемых тампонажных материалов приведены в таблице.

Как видно из данных таблицы, известные тампонажные материалы (аналог и прототип) имеют короткие сроки загустевания и схватывания, низкие значения седиментационной устойчивости, а также недостаточно высокие значения объемного (скелетного) расширения образующегося цементного камня.

Предлагаемый тампонажный материал характеризуется необходимыми значениями показателей основных свойств, определяющих качество цементирования межколонного пространства, а именно, приемлемыми сроками загустевания и схватывания, расширением цементного каменя в процессе его формирования, достаточно высокой механической прочностью и прочностью сцепления с огибающей металлической поверхностью (стенкой обсадной трубы) (примеры 4-6 таблицы).

Выход за нижний предел содержания хлористого магния, триполифосфата натрия, двойного суперфосфата и крахмалосодержащего реагента в тампонажном материале приводит к потере его стабильности, получению неприемлемых сроков загустевания раствора, а также к снижению объемного расширения цементного камня (пример 3 таблицы).

Выход за верхний предел содержания хлористого магния, триполифосфата натрия, двойного суперфосфата и крахмалосодержащего реагента в тампонажном материале приводит к увеличению начальной консистенции раствора, снижению прочности формирующегося цементного камня и его сцепления с огибающей металлической поверхностью (пример 7 таблицы).

Преимуществом заявляемого тампонажного материала, полученного предлагаемым способом, является то, что он за счет увеличения объема в процессе затвердевания обеспечивает формирование напряженного контакта с огибающими поверхностями в условиях отсутствия доступа к нему воды и влаги воздуха. Этим достигается существенное улучшение качества цементирования межколонного пространства в нефтяных и газовых скважинах и гарантируется его герметичность, что позволит:

- свести к минимуму вероятность возникновения межколонных проявлений флюидов (нефть, газ);

- повысить надежность и долговечность работы скважины;

- снизить экологический риск, обусловленный межколонными проявлениями;

Кроме перечисленного, наличие плотного контакта цементного камня с внутренней и наружной трубой, высокая прочность и однородность по высоте цементного камня позволят осуществлять оценку состояния во времени крепи за внешней обсадной колонной геофизическими методами, а также существенно повысить коррозионную устойчивость обсадных труб в скважине.

1. Тампонажный материал, содержащий порошок магнезитовый каустический, хлористый магний, триполифосфат натрия, суперфосфат двойной, крахмалосодержащий реагент и воду, отличающийся тем, что соотношение ингредиентов следующее, мас.%:

Порошок магнезитовый каустический	48,61-50,43
Хлористый магний	12,75-13,80
Триполифосфат натрия	1,00-1,96
Суперфосфат двойной	0,25-0,50
Крахмалосодержащий реагент	0,12-0,37
Вода	Остальное

2. Тампонажный материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве хлористого магния используют бишофит.

3. Тампонажный материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве крахмалосодержащего реагента он содержит экструзионный крахмалосодержащий реагент марки ЭКР или реагент модифицированный набухающий крахмалосодержащий марки РМНК-2.

4. Способ приготовления тампонажного материала путем затворения сухой смеси на основе порошка магнезитового каустического жидкостью затворения, отличающийся тем, что для приготовления тампонажного материала по п.1 в качестве сухой смеси используют смесь, состоящую из порошка магнезитового каустического, триполифосфата натрия и крахмалосодержащего реагента, а в качестве жидкости затворения готовят водный раствор хлористого магния с последующим введением в него суперфосфата двойного.