Облегченный изоляционный тампонажный материал

Изобретение относится к области строительства и ремонта нефтегазовых скважин, а именно к облегченным изоляционным тампонажным материалам, используемым преимущественно при ликвидации зон катастрофических поглощений промывочной жидкости при бурении и ремонте нефтегазовых скважин. Технический результат - устойчивость материала к размыванию водой уже на стадии твердения, быстрый набор пластической прочности и оптимальные сроки схватывания. Облегченный изоляционный тампонажный материал, содержащий портландцемент тампонажный, алюмосиликатные полые микросферы, глинопорошок и воду, дополнительно содержит полиакриламид, экоцел и хлорид кальция, а в качестве глинопорошка - низкоколлоидный бентонитовый глинопорошок, при следующем соотношении компонентов, мас.%: портландцемент тампонажный 21,45-28,07; алюмосиликатные полые микросферы 5,35-9,85; низкоколлоидный бентонитовый глинопорошок 5,63-9,14; полиакриламид 0,43-0,56; экоцел 1,00-2,00; хлорид кальция 5,22-8,49; вода - остальное. 2 табл.

 

Изобретение относится к области строительства и ремонта нефтегазовых скважин, а именно к изоляционным составам, используемым преимущественно при ликвидации зон катастрофических поглощений промывочной жидкости при бурении и ремонте нефтегазовых скважин.

Известен тампонажный раствор, содержащий, мас.%: цемент 38,70-44,10; бентонитовый глинопорошок 4,90-16,60; гидролизованный полиакриламид (ПАА) 0,80-1,00; кальцинированную соду 0,01-0,05; сульфит-спиртовую барду 0,06-0,07 и воду - остальное (патент РФ №2211304, опубл. 27.08.2003). Данный раствор применяется для укрепления фундаментов зданий, что, в нашем случае, является далеким от технической сущности заявляемого тампонажного материала, поскольку известный раствор применяется в замкнутых полостях и после закачки не испытывает серьезных гидродинамических и вибрационных нагрузок.

Кроме того, указанный известный раствор, до момента твердения, является размываемым, это также делает его непригодным для изоляции катастрофических поглощений в скважинах при наличии межпластовых перетоков флюида, направленных в зону поглощающего пласта.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по совокупности признаков является облегченный тампонажный раствор, содержащий, мас.%: портландцемент тампонажный 38,89-58,07; алюмосиликатные полые микросферы (АСПМ) 6,45-17,14; глинопорошок 0,71-1,78 и воду - остальное (патент РФ №2151267, опубл. 20.06.2000). Данный известный тампонажный раствор имеет плотность 1,25-1,60 г/см³ и предназначен для цементирования обсадной колонны. Однако существенными недостатками этого раствора являются длительные сроки схватывания, значительная растекаемость, отсутствие водоустойчивости и низкая динамика набора пластической прочности. Эти факторы не позволяют использовать известный раствор для ликвидации катастрофических поглощений промывочной жидкости в скважине, тем более при наличии межпластового перетока.

Задачей предлагаемого изобретения является ликвидация катастрофических поглощений (вплоть до полных уходов) в пластах с низким градиентом пластового давлением, высоким коэффициентом раскрытия пор и наличием межпластового перетока флюида из пластов с высоким градиентом давления в зону поглощающего пласта.

Техническим результатом заявляемого изобретения является устойчивость материала к размыванию водой уже на стадии твердения, быстрый набор пластической прочности и оптимальные сроки схватывания, способного, благодаря этому, сохранять свойства во время его размещения и твердения в интервалах катастрофических поглощений при наличии межпластовых перетоков, направленных в зону поглощающего пласта.

Указанный технический результат достигается предлагаемым облегченным изоляционным тампонажным материалом, содержащим портландцемент тампонажный, алюмосиликатные полые микросферы, глинопорошок и воду, при этом новым является то, что он дополнительно содержит полиакриламид, экоцел - продукт измельчения продуктов переработки древесины, и хлорид кальция, а в качестве глинопорошка материал содержит низкоколлоидный бентонитовый глинопорошок при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Портландцемент тампонажный	21,45-28,07
Алюмосиликатные полые микросферы	5,35-9,85
Низкоколлоидный бентонитовый глинопорошок	5,63-9,14
Полиакриламид	0,43-0,56
Экоцел	1,00-2,00
Хлорид кальция	5,22-8,49
Вода	Остальное

Приведенный технический результат достигается за счет следующего.

Функции дополнительно вводимых в предлагаемый тампонажный материал компонентов заключаются в следующем: полиакриламид (ПАА) вводится в качестве стабилизирующей добавки, экоцел - в качестве кольматирующего агента, хлорид кальция - в качестве сшивателя и ускорителя затвердевания цементного клинкера.

Заявляемый изоляционный тампонажный материал включает в себя сухую смесь, состоящую из портландцемента тампонажного, облегчающей добавки (АСПМ), стабилизатора (ПАА), кольматирующего агента (Экоцел, представляющий собой продукт измельчения продуктов переработки древесины), и жидкость затворения, состоящую из суспензии низкоколлоидного бентонитового глинопорошка в водном растворе хлорида кальция. Благодаря такому составу и заявляемому количественному соотношению компонентов, которое отличается от количественного содержания компонентов в прототипе, достигается эффект образования неразмываемой (водоустойчивой) системы, которая обладает высокой динамикой набора пластической прочности и в то же время сохраняет реологические параметры, достаточные для доставки материала к месту проведения изоляции, причем после доставки материал достаточно быстро твердеет.

Образование неразмываемого предлагаемого материала происходит по следующему механизму: после затворения вышеуказанной сухой смеси на глинистой суспензии водного раствора хлорида кальция вначале происходит гидратация цементного клинкера, в результате чего в смеси образуется избыток гидроксидов калия и натрия (KОН и NaOH), данные продукты гидратации цементного клинкера вступают в реакцию с амидными и карбоксильными (NH₂, COOH) функциональными группами ПАА с образованием активных солей калия и натрия:

R-CO-NH₂+NaOH→COONa+NH₃↑

R-CO-OH+NaOH→COONa+H₂O

Таким образом, внутри самой системы происходит химическая активация ПАА по средствам перевода части его функциональных групп в активные соли одновалентных щелочных металлов. В дальнейшем, благодаря избытку хлорида кальция, в системе часть его вступает в реакцию с активированными функциональными группами ПАА:

2R-COONa+Ca²⁺→R-(COO)₂Ca+2Na⁺

Как видно из уравнения реакции один атом кальция способен вступить в реакцию с двумя функциональными группами одновременно. Таким образом, кальций способен «сшивать» функциональные группы, находящиеся в разных полимерных цепях ПАА, создавая тем самым достаточно прочный пространственный каркас.

Практическим результатом описанного выше механизма является устойчивость предлагаемого изоляционного материала к размыванию водой уже в процессе твердения, быстрый набор пластической прочности и оптимальные для поставленных задач сроки схватывания. Избыток же кальция расходуется на ускорение гидратации цементного клинкера.

Введение в предлагаемый материал кольматирующей добавки Экоцел позволяет успешно изолировать интервалы со значительным раскрытием пор и, кроме того, снижает расход тампонажного клинкера.

А введение алюмосиликатных полых микросфер способствует понижению плотности материала, а также оказывает кольматационный эффект.

Таким образом, благодаря совокупности используемых компонентов в строго заявленных соотношениях обеспечивается придание материалу устойчивости к размыванию водой уже на стадии твердения, быстрый набор пластической прочности и оптимальные сроки схватывания.

Для приготовления предлагаемого материала использовали следующие вещества:

- портландцемент тампонажный ПЦТ - 50 - ГОСТ 1581-96

- алюмосиликатные полые микросферы - ТУ 21-2237-94;

- бентонитовый глинопорошок - ТУ 480-1-334-91;

- полиакриламид - ТУ 2216-001-40910172-98;

- Экоцел А - продукт измельчения продуктов переработки древесины (бумага, картон, опил, стружка) с насыпной плотностью 20-45 г/л, влажностью 5% - ТУ 5760-033-40912231-2005;

- хлорид кальция - ТУ 2123-020-53501222-2001;

- вода техническая.

Пример приготовления предлагаемого тампонажного материала. Для приготовления 1 л состава сначала готовили жидкость затворения: брали 108,48 г низкоколлоидального бентонитового глинопорошка и при перемешивании на лабораторной мешалке добавляли его к 614,64 г технической воды затворения, затем к получившейся дисперсии добавляли 100,73 г хлорида кальция. Затем готовили сухую смесь из 364,84 г цемента, 90,97 г облегчающей добавки (АСПМ) и 13,00 г кольматирующей добавки (Экоцел А). Полученную сухую тампонажную смесь затворяли ранее приготовленной жидкостью затворения. 7,34 г ПАА добавляли при перемешивании к уже затворенной смеси либо вносили в сухую смесь. В результате получили облегченный изоляционный тампонажный материал со следующим соотношением компонентов, мас.%: портландцемент тампонажный - 28,06; алюмосиликатные полые микросферы - 7,00; низкоколлоидный бентонитовый глинопорошок - 8,34; ПАА - 0,56; Экоцел А - 1,0; хлорид кальция - 7,75; вода - 47,29.

Указанный материал с другим количественным соотношением компонентов готовили аналогичным образом.

В процессе лабораторных исследований устанавливали следующие свойства предлагаемого и известных тампонажных материалов: плотность, растекаемость, водоустойчивость, водоотделение, сроки загустевания, пластическую прочность и сроки схватывания.

Водоустойчивость определяется как отношение остатка теста после водного просеивания к исходной массе навески теста в процентах (Методика определения водоустойчивости тампонажных составов. - Пермь, 1980):

где В - водоустойчивость, %;

x - остаток навески теста после водного просеивания, г;

Р - навеска теста до просеивания, г;

Для определения водоустойчивости навеску тампонажного материала помещали в прибор, представляющий собой цилиндр, диаметром 100 мм и высотой 40 мм, имеющий две водопроницаемые медные сетки с ячейками ⌀=0,8 мм. Навеску тампонажного состава помещали на нижнюю сетку прибора, корпус прибора закрывали крышкой с верхней сеткой. Далее сетчатый прибор помещали в сосуд с водой (высота сосуда 250 мм, ⌀=160 мм). Затем прибор с навеской подвергали 45-кратной проводке в воде в течение 90 с. После этого прибор извлекали из воды, омытую навеску осушали и взвешивали.

Пластическую прочность определяли методом конического пластомера. Для этого конус определенной массы, с определенным углом осевого сечения к вершине, погружали в образец тампонажного материала, замеряя при этом предельное погружение конуса в сантиметрах. При этом пластическая прочность P_m определялась по формуле:

где P_m - пластическая прочность, кПа;

F - вес конуса, г;

h_m - предельное погружение конуса, см;

K - константа конуса

где α - угол осевого сечения конуса к вершине (Конический пластомер ГОСТ 1440-42).

Данные о компонентной составе исследованных тампонажных материалов приведены в таблице 1.

Таблица 1
№	Состав тампонажного материала, мас.%
Цемент	АСПМ	Бентонит	CaCl2	ПАА	Экоцел А	Вода
Заявляемый тампонажный материал
1.	21,45	5,35	5,63	5,22	0,43	1,0	60,92
2.	23,23	5,79	9.14	8,49	0,47	1,0	51,88
3.	23,67	9,85	5,90	7,38	0,56	2,0	50,64
4.	28,07	7,00	8,34	7,75	0,56	1,0	47,28
Прототип
5.	40,00	17,14	0,86	-	-	-	42,00

Данные о свойствах тампонажных материалов приведены в таблице 2.

Как видно из таблицы 2, заявляемый материал обладает значительно более короткими сроками схватывания по сравнению с известным, кроме того, заявленный тампонажный материал отличается от известного высокой водоустойчивостью, высокими значения пластической прочности и значительно более низкой растекаемостью, что при поставленных задачах является приоритетным. Также заявленный тампонажный материал, в отличие от прототипа, обладает более короткими сроками загустевания.

Несмотря на то, что заявленный материал содержит намного больше воды, от 61 до 48% в сравнении с известным - 35-42%, водоотделение предлагаемого тампонажного материала нулевое во всех случаях.

Таким образом, благодаря указанным преимуществам заявленного изоляционного тампонажного материала: сочетанию высокой водоустойчивости, высокой скорости набора пластической прочность, коротких сроков загустевания и схватывания при использовании предлагаемого материала в промысловых условиях удалось достичь положительного результата при ликвидации катастрофических поглощений в пластах с низким градиентом пластового давлением, высоким коэффициентом раскрытия пор и наличием межпластового перетока флюида из пластов с высоким градиентом давления в зону поглощающего пласта.

Облегченный изоляционный тампонажный материал, содержащий портландцемент тампонажный, алюмосиликатные полые микросферы, глинопорошок и воду, отличающийся тем, что он дополнительно содержит полиакриламид, экоцел и хлорид кальция, а в качестве глинопорошка материал содержит низкоколлоидный бентонитовый глинопорошок при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Портландцемент тампонажный	21,45-28,07
Алюмосиликатные полые микросферы	5,35-9,85
Низкоколлоидный бентонитовый глинопорошок	5,63-9,14
Полиакриламид	0,43-0,56
Экоцел	1,00-2,00
Хлорид кальция	5,22-8,49
Вода	Остальное