Облегченный тампонажный раствор
Владельцы патента RU 2325420:
Общество с ограниченной ответственностью "ТюменНИИгипрогаз" (RU)
Изобретение относится к тампонажным растворам, используемым при цементировании обсадных колонн газовых, газоконденсатных или нефтяных скважин, осложненных наличием слабосвязанных, склонных к гидроразрыву пород, а также наличием в разрезе нефтегазонасыщенных и водогазонасыщенных пластов с различными давлениями. Техническим результатом изобретения является разработка облегченного тампонажного раствора с высокой седиментационной устойчивостью и повышенной прочностью цементного камня. Облегченный тампонажный раствор содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: портландцемент тампонажный 48,8-51,8, алюмосиликатные полые микросферы 5,8-9,1, монасил 0,6-1,2, вода 39,4-41,2. 1 табл.
Изобретение относится к тампонажным растворам, используемым при цементировании обсадных колонн газовых, газоконденсатных или нефтяных скважин, осложненных наличием слабосвязанных, склонных к гидроразрыву пород, а также наличием в разрезе нефтегазонасыщенных и водогазонасыщенных пластов с различными давлениями.
Известна облегченная тампонажная смесь, включающая тампонажный цемент, продукт флотации золы-уноса и воду /авт.св. №1573141, Е21В 33/138, опубл. 23.06.90, бюл №23/.
Недостатком известной смеси является низкая растекаемость раствора, которая находится в пределах 19-20 см, что приводит к быстрому структурированию раствора, снижению противодавления на продуктивные пласты и опасности проникновения пластовых флюидов в ствол скважины и вышележащие проницаемые пласты. Увеличение периода раннего структурирования облегченной тампонажной смеси за счет увеличения водосмесевого отношения или ввода пластифицирующих добавок отрицательно сказывается на стабильности раствора, так как резко увеличивается водоотделение и раствор обладает низкой седиментационной устойчивостью, которые также способствуют возникновению межпластовых перетоков и нефтегазопроявлений в период ожидания затвердевания цемента.
Наиболее близким по составу и назначению является облегченный тампонажный раствор, содержащий портландцемент тампонажный, облегчающую добавку - алюмоси-ликатные полые микросферы, глинопорошок и воду /Патент №2151267, МПК Е21В 33/138 от 20.06.2000 г./.
Недостатком данного раствора является повышенное водоотделение, недостаточная седиментационная устойчивость и невысокие прочностные характеристики цементного камня при цементировании наклонно направленных или субгоризонтальных участков скважины.
При создании изобретения решалась задача повышения качества разобщения пластов за счет предотвращения возникновения заколонных и межколонных газопроявлений в наклонно направленных и субгоризонтальных скважинах.
Техническим результатом изобретения является разработка облегченного тампонажного раствора с высокой седиментационной устойчивостью и повышенной прочностью цементного камня.
Решение поставленной задачи достигается тем, что облегченный тампонажный раствор, включающий тампонажный портландцемент, облегчающую добавку - алюмосиликатные полые микросферы и воду, в отличие от известного дополнительно содержит монасил, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Портландцемент тампонажный | 48,8-51,8 |
| Алюмосиликатные полые микросферы | 5,8-9,1 |
| Монасил | 0,6-1,2 |
| Вода | 39,4-41,2 |
В экспериментах использован монасил с силикатным модулем 2,94 производства ООО «Витахим» по ТУ 2145-001-75105538-2005, который представляет собой гранулированный порошок белого цвета, полностью растворимый в воде. Основным компонентом монасила является модернизированный натриевый силикат. Положительным свойством монасила в составе тампонажного раствора является его способность в процессе растворения реагировать с продуктами гидратации портландцемента и диссоциированными в щелочной среде с поверхности алюмосиликатных полых микросфер катионами с образованием высокодисперсных гидросиликатов различного состава. Заполняя поровое пространство между частицами вяжущего и микросфер, продукты реакции монасила, цемента и алюмосиликатных полых микросфер позволяют получать высокостабильную систему тампонажного раствора и улучшать его суффозионную стойкость. Образование этих соединений также обуславливает уплотнение структуры камня и увеличение его прочности.
В представленных экспериментах использовали портландцемент тампонажный ПЦТ 1-100 по ГОСТ 1581-96 ОАО «Сухоложскцемент», алюмосиликатные полые микросферы по ТУ 5712-001-49558624-2003, монасил по ТУ 2145-001-75105538-2005, воду питьевую ГОСТ 2874-82.
Определение основных свойств облегченного тампонажного раствора и камня проводили при температуре 75±3°С в соответствии ГОСТ 26798.1-96 «Цементы тампонажные. Методы испытаний». Плотность облегченного тампонажного раствора определяли пикнометром, растекаемость - по конусу АзНИИ, седиментационную устойчивость определяли по водоотделению цементного раствора в четырех цилиндрах объемом 250 мл (РД 39-00147001-767-2000 «Инструкция по креплению нефтяных и газовых скважин», М.: 2000, с.26-27). Предел прочности камня на изгиб - на испытательной машине МИИ-100, прочность на сжатие и сцепление с металлом - на гидравлическом прессе П-10.
Облегченный тампонажный раствор готовили следующим образом. Сухую смесь портландцемента тампонажного, алюмосиликатных полых микросфер и монасила в заданных соотношениях затворяли отмеренным количеством воды в смесителе лабораторном СЛ-1. После этого раствор дополнительно перемешивался в лабораторной мешалке (n=150±20 об/мин) в течение 40 мин для полного растворения монасила и придания раствору седиментационной устойчивости. После этого замерялись параметры раствора и свойства сформированного камня.
Раствор прототипа также приготовлен в лабораторных условиях и замерены его параметры.
Пример. Для приготовления 1 кг облегченного тампонажного раствора (таблица, состав 2) необходимо взять 650 г воды, затем приготовить сухую смесь из 830 г тампонажного портландцемента, 20 г монасила и 150 г алюмосиликатных полых микросфер. Состав перемешивают три минуты, затем раствор дополнительно перемешивают в течение 40 мин и определяют плотность, растекаемость. Раствор заливают в четыре цилиндра на 250 мл с вертикальным, горизонтальным, под углом 45° и 60° расположением для определения водоотделения. Раствор заливают в формы для определения прочности камня на изгиб, сжатие и сцепление. Образцы до времени испытания выдерживают в термостате при температуре 75°С.
Приготовленный состав имеет плотность 1,46 г/см3, растекаемость 218 мм, водоотделение 0,0 мл во всех четырех цилиндрах, раствор однородный, седиментационно устойчивый, стабильный (водяные пояса и водяные каналы отсутствует). Прочность на изгиб 2,7 МПа, прочность на сжатие 8,5 МПа, прочность сцепления 2,1 МПа.
Примеры приготовления и испытания остальных составов, приведенных в таблице, аналогичны вышеописанному.
Для выявления отличительных признаков и положительного эффекта изменяли массовые соотношения ингредиентов.
Как видно из таблицы, заявляемый облегченный тампонажный раствор с оптимальным/соотношением компонентов обладает лучшими свойствами, чем прототип, а именно характеризуется отсутствием водоотделения во всех четырех цилиндрах и седиментационной устойчивостью раствора. Сформированный цементный камень имеет прочность на 35% выше (2,7 МПа), чем у прототипа (2,0 МПа). Раствор прототипа седиментационно неустойчивый и характеризуется повышенным водоотделением: в вертикальном цилиндре 2,0 мл; в цилиндре под углом 45° 5,0 мл и образование водяных каналов; в цилиндре под углом 60° 2,2 мл и небольшой водяной пояс; в горизонтальном цилиндре 5,0 мл.
Увеличение концентрации монасила в смеси до 3% (таблица, состав 6) приводит к загустеванию раствора (показатель растекаемости 160 мм) и не оказывает существенного влияния на прочностные характеристики тампонажного камня. Минимальное количество монасила (состав 5) не позволяет приготовить седиментационно устойчивый раствор.
Таким образом, из тампонажного портландцемента, алюмосиликатных полых микросфер и монасила могут быть приготовлены облегченные тампонажные растворы с приемлемыми технологическими характеристиками, которые могут применяться для цементирования наклонно направленных и субгоризонтальных участков скважин.
| Таблица | |||||||||||||
| Технологические свойства облегченных тампонажных растворов с добавкой монасила | |||||||||||||
| № п/п | Состав раствора, мас.% | Плотность, г/см3 | Растекаемость, мм | Водоотделение, мл | Прочность, МПа, 2 сут | ||||||||
| цемент | монасил | АСМ | вода | вертикал. | под углом 45° | под углом 60° | горизонт. | изгиб | сжатие | сцепление | |||
| 1 | 50,9 | 0,6 | 9,1 | 39,4 | 1,47 | 285 | 0,0 | 0,0 | 0,0 | 0,0 | 3,1 | 10,1 | 1,7 |
| 2 | 50,3 | 1,2 | 9,1 | 39,4 | 1,46 | 218 | 0,0 | 0,0 | 0,0 | 0,0 | 2,7 | 8,5 | 2,1 |
| 3 | 48,8 | 1,2 | 8,8 | 41,2 | 1,44 | 242 | 0,0 | 0,0 | 0,0 | 0,0 | 2,6 | 8,8 | 1,3 |
| 4 | 51,8 | 1,2 | 5,8 | 41,2 | 1,51 | 260 | 0,0 | 0,0 | 0,0 | 0,0 | 2,8 | 9,0 | 1,4 |
| Запредельные значения | |||||||||||||
| 5 | 52,8 | 0,3 | 9,4 | 37,5 | 1,47 | 280 | 0,0 | 0,2 | 0,2 | 0,0 | 3,3 | 13,2 | 1,9 |
| 6 | 42,0 | 3,0 | 5,0 | 50,0 | 1,52 | 160 | 0,0 | 0,0 | 0,0 | 0,0 | 2,8 | 10,4 | 1,6 |
| Прототип | |||||||||||||
| 53,12 | 1,5 глиноп. | 9,38 | 36,0 | 1,50 | 220 | 2,0 | 5,0 | 2,2 | 5,0 | 2,0 | 6,5 | 0,8 |
Облегченный тампонажный раствор, включающий тампонажный портландцемент, облегчающую добавку - алюмосиликатные полые микросферы и воду, отличающийся тем, что дополнительно содержит Монасил при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Портландцемент тампонажный | 48,8-51,8 |
| Алюмосиликатные полые микросферы | 5,8-9,1 |
| Монасил | 0,6-1,2 |
| Вода | 39,4-41,2 |
