Сырьевая смесь для получения облегченного тампонажного раствора
Владельцы патента RU 2472835:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный строительный университет (МГСУ) (RU)
Изобретение относится к области строительства нефтяных и газовых скважин, в частности к составам облегченных тампонажных растворов, предназначенных для крепления обсадных колонн в условиях нормальных и аномально-низких пластовых давлений, а также в интервалах с преобладанием многолетних мерзлых пород. Сырьевая смесь для получения облегченного тампонажного раствора, включающая тампонажный портландцемент, модифицирующую добавку, облегчающий наполнитель и жидкость затворения, в качестве модифицирующей добавки содержит комплексную добавку длительной жизнеспособности «Murapor Combi 756», а в качестве наполнителя - полые керамические микросферы при соотношении ингредиентов, мас.%: тампонажный портландцемент - 38…53,5, полые керамические микросферы - 10,7…22,8, комплексная добавка «Murapor Combi 756» - 0,114…0,16, жидкость затворения - вода или 2-8% раствор хлорида натрия или хлорида кальция - остальное. Технический результат - повышение эффективности герметизации затрубного и межтрубного пространства нефтегазовых скважин с одновременной защитой многолетних мерзлых пород от растепления. 3 табл.
Изобретение относится к области строительства нефтяных и газовых скважин, в частности к составам облегченных тампонажных растворов, предназначенных для крепления обсадных колонн в условиях нормальных и аномально-низких пластовых давлений, а также в интервалах с преобладанием многолетних мерзлых пород.
Изобретение направлено на решение задачи по эффективной герметизации затрубного и межтрубного пространства нефтегазовых скважин при креплении с одновременной защитой многолетних мерзлых пород от растепления в процессе эксплуатации скважин.
Известен тампонажный раствор, включающий портландцемент тампонажный, алюмосиликатные полые микросферы и 4%-ный раствор хлорида кальция, дополнительно содержащий понизитель водоотдачи - комплексный реагент ПС при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: портландцемент тампонажный 52,96-53,09, алюмосиликатные полые микросферы 9,34-9,37, комплексный реагент ПС 0,06-0,31 и 4%-ный раствор хлорида кальция 37,38-37,48. Технический результат - разработка облегченного тампонажного раствора плотностью 1,46 г/см3 с водоотдачей через глинистую корку 20-30 см3 за 30 минут (патент RU 2196876 C2, МПК E21B 33/138) - прототип.
Ближайшим аналогом является разработка в патенте RU 2272125 C1 (МПК E21B 33/138). Предложен облегченный тампонажный раствор, содержащий, мас.%: портландцемент тампонажный 48,46-60,00, алюмосиликатные полые микросферы 6,66-12,11, праестол марки 611 ВС 0,01-0,07, раствор хлорида кальция плотностью 1,03 г/см3 или растворы хлоридов кальция и натрия плотностью 1,03 г/см3 33,33-41,15. Недостатком указанного аналога является повышенная плотность раствора (1200…1400 кг/м3), и, как следствие, высокая теплопроводность камня, не обеспечивающая теплозащиты мерзлых пород вокруг скважины.
В описанных тампонажных растворах содержится до 12,5 мас.% керамических (алюмосиликатных) микросфер, что не позволяет достичь требуемых низких значений теплопроводности влажного тампонажного материала после затвердевания для возможности его использования в качестве теплозащиты многолетних мерзлых пород от растепления при эксплуатации скважины.
Известен также легкий тампонажный цемент (патент RU 2256774 C2, МПК E21B 33/138), применяемый в качестве строительного материала, в том числе для цементирования нефтяных, газовых и геотермальных скважин, имеющий плотность 1,1-1,4 г/см3, состоящий из смеси одной из марок известного цемента и легковесного наполнителя, который добавляют в количестве 5,0-60,0 мас.% от массы смеси и который состоит из композиции, содержащей полые алюмосиликатные микросферы, каолин и поверхностно-активный гидроксид алюминия. Легковесный наполнитель содержит упомянутые компоненты в следующих количествах, мас.%: полые алюмосиликатные микросферы - 80,0-95,0, каолин - 3,0-15,0, поверхностно-активный гидроксид алюминия - 2,0-5,0. В качестве каолина может быть использован один из известных видов вторичных или обогащенных каолинов, содержащий 30,0-45,0 мас.% Al2O3. Поверхностно-активный гидроксид алюминия может быть получен низкотемпературной карбонизацией алюминатных растворов и имеет удельную поверхность 300-500 м2/г. В качестве одной из марок известного цемента используют портландцемент марки ПЦТ 1-50 или ПЦТ 1-100 или любые цементы, применяемые в строительстве. Данное техническое решение отличается от патентуемой сырьевой смеси наличием в составе раствора каолина в количестве до 15% и поверхностно-активного гидроксида алюминия в количестве до 5%.
В патенте RU 2239050 C1 (МПК E21B 33/138) описан состав для получения однородного облегченного тампонажного раствора плотностью до 1200 кг/м3, способ приготовления тампонажного раствора смешиванием тампонажного цемента с алюмосиликатными микросферами и затворением на жидкости. Предварительно смешивают с микросферами сухой порошкообразный полимерный понизитель водоотдачи в соотношении к массе тампонажного цемента, мас.%: микросферы 10-45, понизитель водоотдачи 0,15-0,45, смесь этих добавок перемешивают с указанным цементом и затем затворяют на жидкости - предварительно приготовленном 0,02-0,08% растворе пеногасителя трибутилфосфата при водотвердом отношении 0,6-0,85. В качестве сухих порошкообразных полимерных понизителей водоотдачи используют сульфоцелл, камцелл, оксиэтилцеллюлозу, поливиниловый спирт, полиакриламид. Данная разработка отличается от предлагаемого технического решения расходом микросфер (до 45% от массы портландцемента) и видом модификаторов.
Состав тампонажного раствора аналогичной плотности представлен в патенте RU 2151267 C1 (МПК E21B 33/138): портландцемент тампонажный 38,89-58,07; алюмосиликатные полые микросферы 6,45-17,14; глинопорошок 0,71-1,78; вода остальное. При затворении тампонажного раствора с облегчающей добавкой - алюмосиликатными полыми микросферами на глинистой суспензии, содержащей глинопорошок и воду, достигается технический результат - снижение плотности тампонажного раствора до 1,25 г/см3 при одновременном увеличении растекаемости раствора, улучшении седиментационной устойчивости и обеспечении остальных технологических параметров раствора и камня. Данная разработка отличается от предлагаемого технического решения расходом микросфер, наличием в составе глинопорошка (до 1,78%) и отсутствием модификаторов.
В патенте EA 003917 B1 (МПК C04B 22/14; C04B 28/02; C04B 28/02) представлен состав облегченного раствора для цементирования нефтяных скважин плотностью в интервале 900…1300 кг/м3. Сырьевая смесь содержит 60…90% (об.) легковесных частиц с размером от 20 мкм до 350 мкм; 10…30% (об.) микроцемента с размером частиц 0,5…5 мкм; 0…20% (об.) с размером частиц 20…50 мкм; 0…30% (об.) гипса. Цементный камень характеризуется пористостью менее 45%. Для получения облегченного раствора могут использоваться полые микросферы, в особенности ценосферы, полые стеклянные микросферы из алюмонатрийборосиликатного стекла, керамические микросферы, полипропиленовые гранулы. Кроме того, указанные растворы могут содержать в своем составе одну или несколько нижеперечисленных добавок: диспергаторы, противоморозные добавки, водоредуцирующие добавки, ускорители и замедлители схватывания, пеногасители. Соотношение компонентов облегчающий наполнитель:микроцемент находится в следующих пределах - от 70:30 до 85:15. При этом процентное соотношение компонентов смеси (по объему) составляет: облегчающий наполнитель с диаметром частиц 100…400 мкм - 50…60%, облегчающий наполнитель с размером частиц 20…40 мкм - 35…40%; микроцемент - 5…20%. Главное отличие данной разработки от патентуемой сырьевой смеси - наличие в составе микроцемента (до 20 об.%) и гипса (до 30 об.%).
Сырьевая смесь для получения облегченного тампонажного раствора включает в себя: тампонажный портландцемент, облегчающий наполнитель (полые керамические микросферы), комплексную добавку и жидкость затворения.
В качестве вяжущего вещества используются портландцементы тампонажные по ГОСТ 1581-96. При нормальных температурах (15…50°C) рекомендуется применять портландцемент тампонажный ПЦТ-I-50 и ПЦТ-II-50, а при умеренных (50…100°C) - ПЦТ-I-100 и ПЦТ-II-100.
Наполнитель представляет собой полые керамические микросферы - КМС производства Фирмы «Стройтек» (г.Ногинск, Московская область) по ТУ-6-48-108-94. Насыпная плотность микросфер - 320…370 кг/м3. Истинная средняя плотность - 750 кг/м3. Средняя плотность материала оболочки микросферы - 2450 кг/м3. Диапазон размеров находится в пределах 40…100 мкм. Наличие в составе смеси микросфер размером менее 60 мкм и более 250 мкм ограничено и не превышает 10%, теплопроводность микросфер 0,08 Вт/м·°C при 20°C. Состав внутренней газовой фазы CO2~70%, N2~30%. Предел прочности на сжатие - 15…29 МПа. Твердость оболочки по шкале Мооса 5…6.
В качестве модификатора использовалась комплексная добавка длительной жизнеспособности «Murapor Combi 756» фирмы «MC-Bauchenie Russia» средней плотностью 1,14…1,155 кг/дм3. Комплексная добавка состоит из пластифицирующего компонента на основе сульфированного нафталинформальдегида, воздухововлекающего компонента - лаурилсульфатнатрия и замедлителя схватывания на основе нитрилотриметилфосфоновой кислоты.
В качестве жидкости затворения используется вода или 2…8%-ный водный раствор ускорителя сроков схватывания - хлорида кальция или хлорида натрия.
Расход КМС варьируется в пределах от 20 до 60% от массы портландцемента, расход модификатора 0,15…0,3% от массы портландцемента. Водоцементное отношение в пределах 0,67…1,03.
Таким образом, с учетом водоцементного отношения и расхода микросфер, соотношение компонентов раствора в % от массы сырьевой смеси следующее:
| Тампонажный портландцемент | 38…53,5% |
| Полые керамические микросферы | 10,7…22,8% |
| Комплексная добавка «Murapor Combi 756» | 0,114…0,16% |
| Жидкость затворения (вода или 2-8% раствор | |
| хлорида натрия или хлорида кальция) | Остальное |
| Таблица 1 | ||||||||||||
| Составы и свойства облегченных тампонажных растворов с полыми керамическими микросферами | ||||||||||||
| № | Доля компонентов раствора (% от массы цемента) | Доля компонентов раствора (% от массы сырьевой смеси) | В/Ц | ρр, кг/м3 | Сроки схватывания, ч-мин | |||||||
| ПЦТ | КМС | Вода1 | МК | ПЦТ | КМС | Вода1 | МК | начало | конец | |||
| 1 | 100 | 20 | 67 | 0,3 | 53,47 | 10,69 | 35,68 | 0,16 | 0,67 | 1305 | 2-00 | 3-05 |
| 2 | 100 | 30 | 74 | 0,3 | 49,02 | 14,71 | 36,123 | 0,147 | 0,74 | 1205 | 3-05 | 4-10 |
| 3 | 100 | 40 | 85 | 0,3 | 44,44 | 17,78 | 37,647 | 0,133 | 0,85 | 1119 | 3-10 | 4-15 |
| 4 | 100 | 50 | 94 | 0,3 | 40,98 | 20,49 | 38,407 | 0,123 | 0,94 | 1057 | 3-10 | 4-40 |
| 5 | 100 | 60 | 103 | 0,3 | 38,02 | 22,81 | 39,056 | 0,114 | 1,03 | 1010 | 3-15 | 5-20 |
| 6 | 100 | 20 | 67(2) | 0,3 | 53,47 | 10,69 | 35,68 | 0,16 | 0,67 | 1309 | 1-50 | 3-00 |
| 7 | 100 | 20 | 67(8) | 0,3 | 53,47 | 10,69 | 35,68 | 0,16 | 0,67 | 1313 | 1-40 | 2-45 |
| 8 | 100 | 40 | 85(2) | 0,3 | 44,44 | 17,78 | 37,647 | 0,133 | 0,85 | 1124 | 3-00 | 4-00 |
| 9 | 100 | 40 | 85(8) | 0,3 | 44,44 | 17,78 | 37,647 | 0,133 | 0,85 | 1128 | 2-50 | 3-45 |
| 10 | 100 | 60 | 103(2) | 0,3 | 38,02 | 22,81 | 39,056 | 0,114 | 1,03 | 1016 | 3-05 | 5-00 |
| 11 | 100 | 60 | 103(8) | 0,3 | 38,02 | 22,81 | 39,056 | 0,114 | 1,03 | 1020 | 2-45 | 4-40 |
| 12 | прототип | 52,96 | 9,34 | 37,642 | 0,063 | 0,66 | 1464 | 1-20 | 2-10 | |||
| Примечания: ρp - средняя плотность раствора; | ||||||||||||
| «МК» - комплексная добавка длительной жизнеспособности «Murapor Combi 756». | ||||||||||||
| 1 - жидкость затворения, включающая 2 или 8% раствор хлорида натрия или хлорида кальция (проценты концентрации раствора указаны в скобках). | ||||||||||||
| 2 - жидкость затворения прототипа включает 4% раствор хлористого кальция. | ||||||||||||
| 3 - комплексный реагент ПС. |
| Таблица 2 | ||||||||
| Физико-механические и теплофизические характеристики облегченного тампонажного камня с керамическими микросферами | ||||||||
| № п/п | Состав раствора, мас.% | ρp, кг/м3 | ρк, кг/м3 | Rb, МПа | Rbtf, МПа | Rсц, МПа | λ, Вт/(м·°C) | λвыс, Вт/(м·°C) |
| ПЦТ - 53,47 | ||||||||
| 1 | КМС - 10,69 | 1305 | 1300 | 3,36 | 1,4 | 2,3 | 0,54 | 0,26 |
| МК - 0,16 | ||||||||
| Вода - 35,68 | ||||||||
| ПЦТ - 49,02 | ||||||||
| 2 | КМС - 14,71 | 1205 | 1180 | 3,5 | 1,4 | 1,7 | 0,44 | 0,09 |
| МК - 0,147 | ||||||||
| Вода - 36,123 | ||||||||
| ПЦТ - 44,44 | ||||||||
| 3 | КМС - 17,78 | 1119 | 1108 | 3,54 | 1,3 | 1,5 | 0,45 | 0,10 |
| МК - 0,133 | ||||||||
| Вода - 37,647 | ||||||||
| ПЦТ - 40,98 | ||||||||
| 4 | КМС - 20,49 | 1057 | 1028 | 2,95 | 1,27 | 1,1 | 0,38 | 0,088 |
| МК - 0,123 | ||||||||
| Вода - 38,407 | ||||||||
| ПЦТ - 38,02 | ||||||||
| 5 | КМС - 22,81 | 1010 | 970 | 2,6 | 1,25 | 1,03 | 0,32 | 0,085 |
| МК - 0,114 | ||||||||
| Вода - 39,056 | ||||||||
| ПЦТ - 53,47 | ||||||||
| 6 | КМС - 10,69 | 1309 | 1301 | 3,6 | 1,5 | 2,31 | 0,53 | 0,26 |
| МК - 0,16 | ||||||||
| Вода1 - 35,68 | ||||||||
| ПЦТ - 53,47 | ||||||||
| 7 | КМС - 10,69 | 1313 | 1303 | 3,5 | 1,45 | 2,28 | 0,52 | 0,256 |
| МК - 0,16 | ||||||||
| Вода1 - 35,68 | ||||||||
| ПЦТ - 44,44 | ||||||||
| КМС - 17,78 | 1124 | 1108 | 3,45 | 1,28 | 1,45 | 0,44 | 0,11 | |
| МК - 0,133 | ||||||||
| Вода1 - 37,647 | ||||||||
| ПЦТ - 44,44 | ||||||||
| 9 | КМС - 17,78 | 1128 | 1112 | 3,35 | 1,32 | 1,4 | 0,43 | 0,112 |
| МК - 0,133 | ||||||||
| Вода1 - 37,647 | ||||||||
| ПЦТ - 38,02 | ||||||||
| КМС - 22,81 | 1016 | 976 | 2,5 | 1,22 | 1,05 | 0,33 | 0,086 | |
| 10 | МК - 0,114 | |||||||
| Вода1 - 39,056 | ||||||||
| ПЦТ - 38,02 | ||||||||
| 11 | КМС - 22,81 | 1020 | 980 | 2,55 | 1,2 | 1,0 | 0,325 | 0,087 |
| МК - 0,114 | ||||||||
| Вода1 - 39,056 | ||||||||
| Прототип: | ||||||||
| ПЦТ - 52,96 | ||||||||
| 12 | КМС4 - 9,34 | 1464 | 1450 | 3,92 | 1,5 | 2,15 | 0,69 | 0,38 |
| Вода2 - 37,64 | ||||||||
| ПС3 - 0,06 | ||||||||
| Примечания: ρp - средняя плотность раствора; | ||||||||
| ρк - средняя плотность камня; | ||||||||
| Rb - предел прочности на сжатие; | ||||||||
| Rbtf - предел прочности на растяжение при изгибе; | ||||||||
| Rсц - прочность сцепления со сталью; | ||||||||
| λ - теплопроводность камня во влажном состоянии; | ||||||||
| λвыс - теплопроводность камня в высушенном состоянии. | ||||||||
| 1 - жидкость затворения, включающая 2 или 8% раствор хлорида натрия или хлорида кальция (проценты концентрации раствора указаны в скобках). | ||||||||
| 2 - жидкость затворения прототипа включает 4% раствор хлористого кальция. | ||||||||
| 3 - комплексный реагент ПС. | ||||||||
| 4 - алюмосиликатные полые микросферы. |
Облегченный тампонажный материал с керамическими микросферами приготавливается и закачивается с использованием традиционного цементировочного оборудования.
Технический эффект - получение облегченного тампонажного раствора с КМС средней плотностью 1010…1300 кг/м3 в зависимости от расхода микросфер и их насыпной плотности с прочностью тампонажного камня на растяжение при изгибе - не ниже 1,2 МПа в возрасте 2 сут. Коэффициент теплопроводности тампонажного камня в сухом состоянии 0,085…0,26 Вт/(м·°C).
Облегченные теплоизоляционные тампонажные растворы с КМС имеют повышенную однородность во времени: не расслаиваются, отсутствует всплытие микросфер и отстой воды. Такие растворы не требуют обязательного использования высокомолекулярных полимерных стабилизирующих добавок. Свойства
| Таблица 3 | ||||
| Основные свойства тампонажных растворов с КМС | ||||
| Средняя плотность раствора, кг/м3 | 1000 | 1100 | 1200 | 1300 |
| Средняя плотность в сухом состоянии, кг/м3 | 800 | 900 | 1000 | 1100 |
| Прочность при сжатии, МПа, не менее | 2,6 | 2,8 | 6,5 | 7,5 |
| Прочность при изгибе, МПа, не менее | 1,2 | 1,3 | 1,5 | 2 |
| Морозостойкость, циклы, не менее | 35 | 50 | 75 | 75 |
| Теплопроводность в сухом состоянии, Вт/м·°C | 0,085 | 0,09 | 0,11 | 0,20 |
тампонажных материалов предлагаемых составов выгодно отличаются от облегченных тампонажных материалов с фильтроперлитом - ФП, вспученным вермикулитовым песком - ВВП, вспученным перлитовым песком - ВПП, полимерными полыми микросферами - ПМС и полыми стеклянными микросферами - ПСМС.
По сравнению с ближайшим аналогом достигнут технический результат, заключающийся в пониженной плотности раствора 1000 кг/м3 против 1300 кг/м3 у аналога, при сохранении прочности на сжатие и изгиб. За счет этого снижается теплопроводность тампонажного камня, что обеспечивает предотвращение растепления горных пород вокруг скважины.
Разработанный раствор можно использовать в качестве пассивной теплозащиты многолетних мерзлых пород от растепления и, одновременно, как тампонажный материал в различных горно-геологических условиях.
Применение предлагаемого теплозащитного материала дает возможность значительно снизить трудовые, энергетические, материальные и финансовые затраты при строительстве, повысить надежность при эксплуатации нефтяных и газовых скважин.
Сырьевая смесь для получения облегченного тампонажного раствора, включающая тампонажный портландцемент, модифицирующую добавку, облегчающий наполнитель и жидкость затворения, отличающаяся тем, что в качестве модифицирующей добавки содержит комплексную добавку длительной жизнеспособности «Murapor Combi 756», а в качестве наполнителя - полые керамические микросферы при соотношении ингредиентов, мас.%:
| Тампонажный портландцемент | 38…53,5 |
| Полые керамические микросферы | 10,7…22,8 |
| Комплексная добавка «Murapor Combi 756» | 0,114…0,16 |
| Жидкость затворения - вода или 2-8%-ный раствор | |
| хлорида натрия или хлорида кальция | Остальное |
