Базовая основа тампонажного раствора для цементирования скважин

Изобретение относится к базовым основам тампонажного раствора для цементирования скважин. Базовая основа содержит, мас.%: тампонажный портландцемент 95,0-98,0; полиамидное волокно или смесь в соотношении 0,3-2,0:1 полиамидного волокна с хризотил-асбестом 0,5-4,0; суперпластификатор 0,05-0,2; оксиэтилцеллюлоза 0,1-0,5; ускоритель сроков схватывания - остальное. Базовая основа дополнительно может содержать пеногаситель в количестве 0,1-0,2 мас.%. В качестве пеногасителя базовая основа содержит ПОЛИЦЕМ ДФ, в качестве суперпластификатора - суперпластификатор марки ЦЕМПЛАСТ МФ, С-3 или Melflux, а в качестве ускорителя сроков схватывания - хлорид кальция или хлорид натрия. Технический результат - повышение качества образующегося тампонажного камня за счет улучшения физико-механических свойств. 3 з.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к области строительства скважин, в частности к тампонажным растворам, используемым при цементировании обсадных колонн нефтяных и газовых скважин, при цементировании продуктивных пластов, при ликвидации осложнений в скважинах.

Из уровня техники известен ряд тампонажных составов, используемых при цементировании нефтяных и газовых скважин, например: тампонажная композиция, содержащая портландцемент и вскрышную породу месторождения асбеста (патент РФ №2036298, кл. Е21В 33/138, от 1995 г.); тампонажный материал для цементирования высокотемпературных скважин, содержащий тампонажный цемент на шлаковой основе и волокнистый наполнитель (патент №1010253, кл. Е21В 33/138, от 1983 г.).

Недостатком всех указанных известных тампонажных составов является то, что они имеют недостаточную прочность при разрыве и высокую фильтрацию, которая может привести к преждевременному загустеванию.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности является дисперсно-армированная базовая основа для тампонажного раствора для цементирования скважин, которая содержит ингредиенты в следующем соотношении; мас.ч:

Силикатный и/или хлорсиликатный портландцемент	100
Волластонит и/или волокнистые кристаллы
синтетических гидросиликатов кальция или магния	3,0-8,0
Смесь волокнистых кристаллов природных
или синтетических минералов, или
металлических волокон, или стекловолокон,
или базальтовых волокон с полипропиленовыми,
или капроновыми, или нейлоновыми,
или поливинилспиртовыми волокнами
взятых в соотношении 1:1-2:1	2,0-4,0
Жидкие кремнийорганические полимеры типа
олигоорганогидросилоксанов	0,05-0,25
Порошкообразные кремнийорганические
соединения типа алилсиликонатов	2,5-8,0
Палыгорскит	2,0-6,0.

Для приготовления тампонажного раствора указанную базовую основу растворяют в воде, добавляя последнюю в количестве 45-75 мас.ч.

Недостатком указанного известного тампонажного раствора являются следующие:

- большое водоотделение тампонажного раствора, что приводит к его расслоению;

- низкая растекаемость, что не может обеспечить его хорошую прокачиваемость;

- высокая фильтрации в условиях умеренных и повышенных температур, сопоставимая с показателем фильтрации чистого цемента, который составляет 600 см³ при ΔР = 0,7 МПа, что может привести к преждевременному загустеванию тампонажного раствора.

Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в повышении качества получаемого из заявляемой базовой основы тампонажного раствора за счет обеспечения его низкой фильтрации на уровне фильтрации буровых растворов, исключения водоотделения, придания реологических свойств, обеспечивающих затворение и его закачку в скважину без дополнительных избыточных давлений при цементировании, а также в повышении качества образующегося тампонажного камня за счет регулирования его физико-механических свойств при сжатии, изгибе, растяжении (разрыве), ударной вязкости и адгезионных свойств.

Указанная техническая задача обеспечивается предлагаемой базовой основой тампонажного раствора для цементирования скважин, включающей портландцемент, армирующее волокно и пластификатор, при этом новым является то, что она дополнительно содержит оксиэтилцеллюлозу и ускоритель сроков схватывания, в качестве портландцемента она содержит тампонажный портландцемент, в качестве армирующего волокна - полиамидное волокно или его смесь с хризотил-асбестом при их массовом соотношении 0,3-2,0:1 соответственно, а в качестве пластификатора - суперпластификатор, при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

Тампонажный портландцемент	95,0-98,0
Полиамидное волокно или
смесь полиамидного волокна
с хризотил-асбестом	0,5-4,0
Суперпластификатор	0,05-0,2
Оксиэтилцеллюлоза	0,1-0,5
Ускоритель сроков схватывания	Остальное.

Базовая основа дополнительно содержит пеногаситель ПОЛИЦЕМ ДФ в количестве 0,1-0,2 мас.%

Базовая основа в качестве суперпластификатора содержит суперпластификаторы марки ЦЕМПЛАСТ МФ, С-3 или Melflux.

Базовая основа в качестве ускорителя сроков схватывания содержит хлорид кальция или хлорид натрия.

Достижение указанного технического результата обеспечивается за счет определенного подбора ингредиентов (качественного и количественного) в заявляемой базовой основе, т.е. этот результат носит синергетический характер.

Благодаря введению в базовую основу оксиэтилцеллюлозы обеспечивается низкая фильтрация, снимаются седиментационные процессы, что обеспечивает нулевое водоотделение полученных тампонажных растворов. А за счет синергетического эффекта во взаимодействии с другими ингредиентами указанный показатель фильтрации приближается к уровню фильтрации буровых растворов, что позволит в промысловых условиях при цементировании проницаемых интервалов исключить преждевременное загустевание тампонажного раствора.

Использование в предлагаемой базовой основе в качестве армирующего волокна полиамидного волокна или его смеси с хризотил-асбестом позволяет, наряду с повышением упругопластичных (удельная ударная вязкость, хрупкость) свойств тампонажного раствора, увеличить прочностные свойства образующегося тампонажного камня (при сжатии, изгибе, разрыве и сцеплении с породой). Полиамидные волокна (или их смесь с хризотил-асбестом) в зоне поглощения образуют сетевую мостовую перемычку, способствующую быстрому формированию фильтрационной корки, препятствующей уходу цементного раствора в пласт. Волокна разного размера обеспечивают образование в цементном камне микро- и макроарматуры, которая определяет способность матрицы тампонажного камня воспринимать растягивающие и ударные нагрузки. Благодаря этому тампонажный раствор, приготовленный из предлагаемой базовой смеси, становится универсальным и может использоваться в различных пластовых условиях:

- для цементирования продуктивных пластов;

- для ликвидации поглощений в карстовых отложениях и крупных кавернах;

- для цементирования технических и эксплуатационных колонн, где разрез скважин сложен высокопроницаемыми пластами, что исключает возможность использования облегченных тампонажных составов и устройств для ступенчатого цементирования. Последнее качество является особенно ценным, т.к. позволяет использовать один и тот же раствор при различных циклах строительства скважин, что повышает эффективность строительства.

Введение в предлагаемую базовую основу пеногасителя обеспечивает понижение пенообразования, что благоприятно сказывается на работе цементировочного оборудования.

В смесь армирующих волокон входит хризотил-асбест, например, марки А7-450, и полиамидное волокно, например, марки RA. Соотношение волокон в смеси может меняться в зависимости от геолого-технических условий и иметь следующие соотношения: полиамидное волокно:хризотил-асбест как 0,3-2,0:1.

Использование суперпластификатора в предлагаемой базовой основе позволяет модифицировать структуру тампонажного раствора, уплотняя ее, что способствует в свою очередь увеличению прочности тампонажного камня.

Для получения заявляемой базовой основы и тампонажного раствора из нее в лабораторных условиях были использованы следующие вещества:

- тампонажный портландцемент марки ПЦТ IG-CC-1;

- оксиэтилцеллюлоза марки ГИДРОЦЕМ Н,С;

- суперпластификатор марок: ЦЕМПЛАСТ МФ (меламинсодержащий реагент) по ТУ 2223-011-40912231-2003; С-3 (натриевая соль продукта конденсации нафталинсульфокислоты с формальдегидом по ТУ 6-14-625089) и Melflux - полиэфиркарбоксилаты (поликарбоновые эфиры), водоредуцирующая добавка по степени пластификации в соответствии с ГОСТ 242111-91 относится к группе суперпластифицирующих, производится фирмой Degussa Constraction Polimers (SKW Trostberg, Германия);

- полиамидное волокно, например, марки RA или R6,6, получается в результате полимеризации двухосновной кислоты и диамина. Термин «нейлон» относится к группе полиамидных смол, которые представляют собой длинноцепные амиды, в которых амидная группа образует неотъемлемую часть основной полимерной цепи. Все нейлоны славятся своей высокой устойчивостью к щелочным средам, а также к обычным растворителям. Они обладают хорошим сопротивлением истиранию в сочетании с очень низким коэффициентом трения. Их высокая температура плавления (250°С) делает их особенно пригодными для различных областей применения, где специально требуется определенный уровень огнестойкости. Полиамид также известен благодаря своим гидрофильным свойствам, это качество обеспечивает прекрасную способность к повторному диспергированию в различных минеральных средах. Полиамидные волокна являются прочными, жесткими и эластичным, что делает их особенно пригодными для армирования тонких элементов на основе минеральных вяжущих веществ;

- хризотил-асбест - пылевидные сорта А7-450; минерал хризотил-асбест характеризуется следующими физико-техническими показателями:

- химический состав приближенно соответствует теоретической формуле 3MgO·2SiO₂·2H₂O;

- плотность 2,4-2,6 г/см³;

- щелочестойкость высокая;

- кислотостойкость слабая;

- содержание консистуционной влаги 13,46%.

- ускоритель сроков схватывания: хлорид кальция, хлорид натрия;

- пеногаситель марки ПОЛИЦЕМ ДФ - модифицированный кремнеорганический реагент по ТУ 2228-010-40912231-2003;

- вода техническая жесткостью не менее 5 мг-экв/л.

Возможность осуществления заявляемого изобретения подтверждается следующим примером.

Пример. Для получения предлагаемой базовой основы в лабораторных условиях брали 950 г тампонажного портландцемента марки ПЦТ IG-CC-1, к нему добавляли 10 г полиамидного волокна, 5 г хризотил-асбеста, 4 г оксиэтилцеллюлозы - ГИДРОЦЕМ Н, 1 г суперпластификатора - ЦЕМПЛАСТ МФ. Полученную тампонажную композицию тщательно перемешивали. Хлористый кальций-ускоритель сроков схватывания в базовой основе, добавляли в расчетном количестве 30 г в жидкость затворения (традиционный путь приготовления тампонажных растворов из базовой основы). В результате получили базовую основу следующего ингредиентного состава, мас.%: тампонажный портландцемент - 95; смесь полиамидного волокна и хризотил-асбеста (в соотношении 0,5:1 соответственно) - 1,5; суперпластификатор - 0,1; оксиэтилцеллюлоза - 0,4; хлорид кальция - 3.

Базовые основы с другим содержанием ингредиентов готовили аналогичным образом.

Далее из полученной базовой основы готовили тампонажный раствор путем ее затворения на технической воде при водоцементном отношении 0,47. Хлористый кальций (ускоритель сроков схватывания в базовой основе) в расчетном количестве 30 г предварительно растворяли в жидкости затворения.

В ходе лабораторных испытаний определяли следующие свойства тампонажного раствора, приготовленного из заявляемой базовой основы:

- плотность;

- растекаемость;

- пластическая вязкость;

- динамическое напряжение сдвига;

- фильтратоотдача;

- водоотделение,

а также определяли следующие свойства тампонажного камня:

- удельная ударная вязкость;

- предел прочности при разрыве, при изгибе, при сжатии;

- усилие выталкивания образца.

Данные об ингредиентном составе исследованных базовых основ приведены в таблице 1. Данные о свойствах тампонажного раствора и тампонажного камня приведены в таблице 2.

Таблица 1
Данные об ингредиентном составе предлагаемой базовой основы
№№	Ингредиентный состав базовой основы, масс.%	Водоцементное отношение приготовленного из основы тампонажного раствора
Тампонажный портланд цемент	Полиамидное волокно	Хризотил-асбест	Оксиэтил целюлоза	Пеногаситель	Супер-пластификатор	Ускоритель сроков схватывания
1	95	0,5	-	0,5	0,2	0,05	3,75	0,44
2	95	0,5	-	0,5	-	0,05	3,95	0,44
3	96	0,5	1,0	0,3	-	0,1	2,1	0,47
4	95	1,0	0,5	0,5	-	0,1	2,9	0,5
5	97	1,0	1,0	0,1	-	0,2	0,7	0,53
6	98	0,7	0,5	0,1	0,1	0,05	0,55	0,48
7	95	2,0	-	0,1	-	0,2	2,7	0,6
Примечание: 1. В качестве суперпластификатора использовали в опыте 1, 3 - С-3; в опыте 2 - Melflux; в остальных - ЦЕМПЛАСТ.
2. В качестве ускорителя сроков схватывания в опытах 1-4 -использовали хлорид кальция; в остальных - хлорид натрия.
3. В опытах 1,6 в качестве пеногасителя использовали ПОЛИЦЕМ ДФ

Данные, приведенные в таблицах 1 и 2, показывают, что предлагаемая базовая основа позволяет получать тампонажные растворы, характеризующиеся следующими положительными качествами:

- низкая фильтрация;

- седиментационная устойчивость;

- свойства, характеризующие подвижность тампонажного раствора (пластическая и динамическая вязкость, растекаемость), позволяют производить затворение и закачку тампонажного раствора в скважину без дополнительных избыточных давлений при цементировании.

А тампонажный камень, образующийся из указанных тампонажных растворов, является достаточно прочным и сохраняет эту прочность при различных нагрузках (при изгибе, при сжатии, при растяжении), характеризуется повышенными упругопластичными свойствами, которые отражают: показатели удельной ударной вязкости и хрупкость цементного камня, что позволит повысить трещинностойкость цементного кольца в период перфорационных работ и обеспечит целостность цементного камня в период опрессовки и дальнейшего бурения скважины.

Благодаря указанным свойствам тампонажные растворы, полученные из заявляемой базовой основы, позволят сохранить изоляционные свойства цементного камня после проведения перфорационных работ в скважине.

1. Базовая основа тампонажного раствора для цементирования скважин, включающая портландцемент, армирующее волокно и пластификатор, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит оксиэтилцеллюлозу и ускоритель сроков схватывания, в качестве портландцемента она содержит тампонажный портландцемент, в качестве армирующего волокна - полиамидное волокно или его смесь с хризотил-асбестом при их массовом соотношении 0,3÷2,0:1, соответственно, а в качестве пластификатора - суперпластификатор при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

тампонажный портландцемент	95,0-98,0
полиамидное волокно или
смесь полиамидного волокна
с хризотил-асбестом	0,5-4,0
суперпластификатор	0,05-0,2
оксиэтилцеллюлоза	0,1-0,5
ускоритель сроков схватывания	остальное.

2. Базовая основа по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит пеногаситель ПОЛИЦЕМ ДФ в количестве 0,1-0,2 мас.%.

3. Базовая основа по п.1, отличающаяся тем, что в качестве суперпластификатора она содержит суперпластификатор марки ЦЕМПЛАСТ, С-3 или Melflux.

4. Базовая основа по п.1, отличающаяся тем, что в качестве ускорителя сроков схватывания она содержит хлорид кальция или хлорид натрия.