способ приготовления облегченного тампонажного раствора плотностью 1450-1500 кг/м3

Формула изобретения

Способ приготовления облегченного тампонажного раствора плотностью 1450-1500 кг/м³, включающий приготовление сухой смеси из тампонажного портландцемента и микросфер и последующее введение в полученную сухую смесь жидкости затворения, отличающийся тем, что в качестве микросфер используют смесь алюмосиликатных и стеклянных микросфер в массовом соотношении 1:0,05÷0,33, соответственно, в качестве жидкости затворения - воду или 0,4-10%-ный водный раствор ускорителя сроков схватывания - хлорида кальция или хлорида натрия, или реагента ЭКСЦЕМ СА, причем жидкость затворения используют в количестве, обеспечивающем водоцементное соотношение 0,5-0,6, а перед введением микросфер дополнительно вводят понизитель фильтрации - реагент ГИДРОЦЕМ марок С и В, пластификатор - лигносульфонаты или реагент ЦЕМПЛАСТ МФ и пеногаситель - ПОЛИТ ТЕМ ДФ при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:

Тампонажный портландцемент	75-84
Микросферы	16-25
Указанный понизитель фильтрации	0,2-0,5
Указанный пластификатор	0,1-0,5
Указанный пеногаситель	0,1-0,2,

полученную сухую смесь тщательно перемешивают.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области строительства нефтяных и газовых скважин, в частности к способам получения облегченных тампонажных растворов, предназначенных для крепления обсадных колонн в условиях нормальных и аномально-низких пластовых давлений.

Известен способ приготовления облегченного тампонажного раствора, включающего приготовление сухой смеси из тампонажного портландцемента и расширяющего компонента - карбоалюминатной добавки и гипса, введение в эту смесь алюмосиликатных микросфер, с последующим затворением полученной сухой смеси жидкостью затворения, в качестве которой используют воду или 4%-ный раствор хлористого кальция (патент РФ № 2151271, кл. E21В 33/138, опубл. 20.06.2000 г.).

Достигаемый известным способом результат состоит в том, что при расчетной плотности приготовленного облегченного тампонажного раствора 1400 кг/м³ и растекаемости 240 мм, образующийся цементный камень обладает высокой прочностью на изгиб при 2-х суточном хранении (2,1 МПа), а расширение цементного камня через 2-е суток составляет 0,22%, что позволяет повысить качество крепления и предотвратить газонефтепроявления за счет эффекта расширения и прочности цементного камня.

Недостатком этого тампонажного раствора, приготовленного известным способом, является невозможность обеспечения расчетных значений концентрации вводимых реагентов в сухую смесь при существующих условиях цементирования. Это относится, в первую очередь, к вводу карбоалюминатной добавки и гипса. Исходя из особенностей физико-химического и фракционного состава этих компонентов (в частности, гигроскопичности и разноразмерности) возможно неравномерное распределение их в бункерах цементосмесительных машин, что может привести к потере подвижности цементного раствора при их увеличении (более 2,67 мас.%), а при уменьшении ниже расчетных значений - к снижению расширения цементного камня.

Кроме того, полученный известным способом тампонажный раствор характеризуется высокими показателями водоотдачи при перепаде давления 0,7 МПа. Вследствие этого, происходит отфильтровывание большого количества воды из расположенного в скважине тампонажного раствора, особенно, в разрезе высокопроницаемых пород, что приводит к недоподъему цемента на проектную высоту и к усадочным деформациям цементного камня (образованию в нем трещин и каналов).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ приготовления облегченного тампонажного раствора согласно патенту № 2215124, кл. Е21В 33/138, опубл. 27.10.2003 г.

Согласно этому способу облегченный тампонажный раствор готовится путем смешения тампонажного портландцемента с алюмосиликатными микросферами в соотношении 80-90÷10-20 с последующим введением в полученную сухую смесь жидкости затворения, содержащую: оксиэтилцеллюлозу или гидроксиэтилцеллюлозу, лигносульфонаты или реагент на основе меламина, ускоритель сроков схватывания и воду при следующем соотношении их к массе указанной сухой смеси, мас.ч.:

Ускоритель сроков схватывания	0,2-3,0
Оксиэтилцеллюлоза или
гидроксиэтилцеллюлоза	0,3-0,5
Лигносульфонаты или
реагент на основе меламина	0,1-0,4
Вода	44-50

После введения жидкости затворения осуществляется перемешивание в течение 0,5 ч.

Техническая задача, которая решалась известным способом, состояла в снижении нагрузки на пласты, обеспечении подъема тампонажного раствора до устья за счет снижения удельного веса тампонажного раствора (до 1450-1650 кг/м³), низкой фильтратоотдачи до 20-30 см³ за 30 мин на фильтр-прессе "Baroid" при Р=0,7 МПа и предотвращения усадки цементного камня при добавке в цементный раствор в качестве облегчающей добавки алюмосиликатных микросфер. Кроме того, при использовании этого способа обеспечиваются стабильные технологические параметры приготовленного тампонажного раствора: высокая седиментационная устойчивость, хорошая прокачиваемость, низкая фильтратоотдача, регулируемые сроки схватывания и время загустевания и, в результате формирование цементного камня высокой прочности с улучшенными адгезионными свойствами и низкой проницаемостью.

Недостатками известного способа является то, что при приготовлении жидкости затворения возникают сложности при растворении компонентов, а именно: для полного растворения полимера требуется значительное время - до 3-4 часов (в холодное время года время растворения увеличивается, кроме того, требуется обязательный подогрев воды до определенной температуры); реагент на основе меламина при растворении комкуется, что создает трудности и погрешности при определении концентрации этого реагента при контроле в процессе цементирования.

Технический результат, достигаемый предлагаемым способом, заключается в сокращении технологического времени процесса приготовления, а значит, и цементирования, и в обеспечении достижения строго регламентированных концентраций компонентов в закачиваемом в скважину тампонажном растворе для получения требуемых технологических свойств, при одновременном улучшении реологических характеристик цементного раствора и снижения проницаемости цементного камня за счет ввода пеногасителя и повышении стабильности плотности цементного раствора при его использовании в условиях повышенных давлений для глубин свыше 2000 м без изменения плотности раствора в процессе закачивания и продавки и прочности цементного камня за счет ввода в состав тампонажного раствора стеклянных микросфер.

Указанный технический результат достигается предлагаемым способом приготовления облегченного тампонажного раствора плотностью 1450-1500 кг/м³, включающим приготовление сухой смеси из тампонажного портландцемента и микросфер и последующее введение в полученную сухую смесь жидкости затворения, отличающийся тем, что в качестве микросфер используют смесь алюмосиликатных и стеклянных микросфер в массовом соотношении 1:0,05÷0,33 соответственно, в качестве жидкости затворения - воду или 0,4-10%-ный водный раствор ускорителя сроков схватывания - хлорида кальция или хлорида натрия или реагента ЭКСЦЕМ СА, причем жидкость затворения используют в количестве, обеспечивающем водоцементное соотношение 0,5-0,6, а перед введением микросфер дополнительно вводят понизитель фильтрации - реагент ГИДРОЦЕМ марок С и В, пластификатор - лигносульфонаты или реагент ЦЕМПЛАСТ МФ, и пеногаситель - ПОЛИЦЕМ ДФ, при следующем соотношении компонентов, мас.ч:

Тампонажный портландцемент	75-84
Микросферы	16-25
Указанный понизитель фильтрации	0,2-0,5
Указанный пластификатор	0,1-0,5
Указанный пеногаситель	0,1-0,2,

полученную сухую смесь тщательно перемешивают.

Указанный технический результат достигается за счет следующего.

Благодаря подготовке сухой смеси их указанных компонентов, обеспечивается быстрота ее приготовления и равномерность распределения компонентов. Введение микросфер после всех компонентов обусловлено предотвращением возможного взаимодействия их с реагентами, вводимыми в сухую смесь и снижения вероятности изменения свойств реагентов.

Кроме того, для расширения диапазона применения облегченного тампонажного состава предлагается в состав тампонажного раствора вместе с алюмосиликатными вводить и стеклянные микросферы в их массовом соотношении 1:(0,05÷0,33). В отличие от алюмосиликатных микросфер, прочность на сжатие которых находится в пределах 5-12 МПа, стеклянные микросферы не схлопываются при повышенных давлениях, возникающих в процессе цементирования при продавке цементного раствора. Стеклянные микросферы импортного производства имеют повышенные пределы прочности на сжатие (до 50 МПа). Однако высокая стоимость импортных стеклянных микросфер (до 8,5 тыс.$/т), отечественных (40-60 тыс.руб/т) ограничивает их широкое использование. Отечественные стеклянные микросферы различных типов выпускаются с пределами прочности на сжатие до 10-20 МПа. Расход стеклянных микросфер в сравнении с алюмосиликатными значительно ниже из-за исходной плотности самих микросфер, и как оказалось, использование при реализации предлагаемого способа алюмосиликатных и стеклянных микросфер при их массовом соотношении 1:(0,05÷0,33) позволит использовать приготовленный раствор при глубине спуска обсадной колонны свыше 2000 м, причем без изменения плотности этого раствора в процессе закачивания и продавки, т.к. стеклянные микросферы без разрушения выдерживают повышенные давления и не схлопываются, тем самым, обеспечивая стабильную плотность цементного раствора, и в условиях аномально-низких пластовых давлений, предотвращая возможность поглощения тампонажного состава.

Введение в состав пеногасителя ПОЛИЦЕМ ДФ обеспечивает необходимую плотность цементного раствора при затворении и поддержание стабильных значений в процессе его закачивания и продавки.

Для приготовления облегченного тампонажного раствора предлагаемым способом в лабораторных условиях были использованы следующие вещества и оборудование.

Вещества:

- Тампонажный портландцемент по ГОСТ 1581-96 Сухоложского цементного завода следующих марок: ПЦТ П-50; ПЦТ 1-100; ПЦТ 1G-CC-1;

- Микросферы алюмосиликатные (КМ) ООО «Уралайт» ТУ 21-22-37-94;

- Микросферы стеклянные АО НПО «Стеклопластик» ТУ 6-48-91-92;

- Понизитель фильтрации - модифицированная оксиэтилцеллюлоза ГИДРОЦЕМ марок С и В (ТУ 2231-016-53501222-2001);

- Пластификатор: лигносульфонаты ЛСТ (ТУ 13-0281036-05-89) или модифицированная меламинформальдегидная смола ЦЕМПЛАСТ МФ (ТУ 2223-011-40912231-2003);

- Пеногаситель - модифицированный кремнийорганический полимер ПОЛИЦЕМ ДФ (ТУ 2228-010-40912231-2003);

- Ускоритель сроков схватывания: хлорид кальция (ТУ 48-10-59-79) или хлорид натрия (ТУ 2152-097-00209527-2004) или модифицированный оксид алюминия ЭКСЦЕМ СА (ТУ 2123-020-53501222-2001);

- Вода техническая с жесткостью 5 мг-экв./л (ГОСТ 2874-82).

Оборудование:

- конус АзНИИ;

- прибор для измерения проницаемости цементного камня (OFITE);

- автоматизированный прибор для испытания прочности на сжатие (OFITE);

- 12-ти скоростной вискозиметр (CHANDLER);

- мешалка постоянной скорости (OFITE);

- герметичная камера затвердевания (OFITE);

- настольный герметизированный консистометр высокого давления и высокой температуры (CHANDLER);

- фильтр-пресс высокого давления и высокой температуры (OFITE);

- динамический фильтр-пресс высокого давления и температуры (OFITE).

Пример.

Для приготовления сухой смеси брали 800 г тампонажного портландцемента марки ПЦТ П-50, 2 г ГИДРОЦЕМ марки В, 2 г ЦЕМПЛАСТ МФ, 2 г ПОЛИЦЕМ ДФ, затем в последнюю очередь в смесь вводили 160 г алюмосиликатных микросфер производства ООО «Уралайт», 40 г стеклянных микросфер АО НПО «Стеклопластик» (соотношение микросфер алюмосиликатных к стеклянным равнялось 1:0,25). Получили сухую смесь со следующим содержанием компонентов, мас.ч.:

Тампонажный портландцемент 80,0

Микросферы	20
Понизитель фильтрации	0,2
Пластификатор	0,2
Пеногаситель	0,2

В отдельном стакане готовили 500 мл жидкости затворения в виде водного раствора хлорида кальция 4%-ной концентрации. Далее на полученной жидкости затворения производили затворение предварительно подготовленной сухой смеси цемента с микросферами и реагентами путем постепенного ввода при постоянном перемешивании на лабораторной мешалке. При этом перемешивание затворенного тампонажного раствора осуществляли непрерывно по меньшей мере в течение 0,5 часа со скоростью 100-120 об/мин. В результате получили тампонажный раствор, приготовленный заявляемым способом с водоцементным соотношением В/С=0,5.

Таким же образом осуществляли предлагаемый способ для приготовления тампонажных растворов с другими компонентными составами.

Осуществление способа приготовления облегченного тампонажного раствора в промысловых условиях заключается в следующем:

1. В смесители производится затаривание сухой смеси, содержащей следующие материалы и реагенты, мас.ч.:

Тампонажный портландцемент	75-84
Микросферы	16-25
Понизитель фильтрации	0,2-0,5
Пластификатор	0,1-0,5
Пеногаситель	0,1-0,2

После затаривания производится двухкратное перетаривание смесителей с целью получения однородной смеси.

2. В мерниках цементировочных агрегатов готовится жидкость затворения - техническая вода с ускорителем сроков схватывания. Расход ускорителя составляет от 0 до 110 кг/м³ в зависимости от выбора типа ускорителя, требуемой плотности тамонажного раствора и водоцементного отношения.

3. На следующем этапе производится затворение тампонажного раствора требуемой плотности и откачивание его в смесительно-осреднительную емкость, где производится его перемешивание в течение не менее получаса с целью выравнивания и стабилизации технологических свойств цементного раствора.

4. Затем производится откачка полученного тампонажного раствора в скважину и установка его в заколонном пространстве.

В процессе лабораторных исследований по методикам ГОСТ 26798.1,2-96 устанавливали свойства тампонажных растворов, приготовленных предлагаемым и известным по прототипу способами: плотность, растекаемость, время загустевания до 30 Bc; фильтратоотдачу при =0,7 МПа за 30 мин; сроки схватывания, водоотделение; предел прочности на изгиб при 2-х суточном хранении в пресной воде; усадку образующегося цементного камня.

Данные об ингредиентном содержании исследуемых тампонажных растворов, приготовленных предлагаемым и известным способами, приведены в таблице 1.

Данные о свойствах этих тампонажных растворов, полученные в ходе исследований, приведены в таблице 2.

Данные, приведенные в таблице 2, показывают, что облегченный тампонажный состав с низкой фильтрацией способен образоваться лишь при приготовлении его заявляемым способом (при указанной последовательности операций и указанном соотношении компонентов).

Тампонажные растворы, полученные предлагаемым способом, характеризуются следующими стабильными технологическими параметрами:

Облегченные тампонажные растворы, полученные предлагаемым способом, характеризуются следующими показателями:

Плотность, кг/м3	1450-1500
Растекаемость, мм	220-250
Время загустевания, ч-мин	4-30 - 6-10
Водоотделение, мл	0
Предел прочности на изгиб при 2-х суточном
хранении в пресной воде, МПа	1,1-1,6
усилие на выталкивание, МПа	0,36-0,72
усадка цементного камня через 2 суток, %	0

Использование тампонажного раствора, полученного предлагаемым способом, обеспечивает по сравнению с тампонажными растворами, приготовленными известными способами:

- высокое качество крепления за счет:

- оптимальных технологических свойств тампонажного раствора, приготовленного предлагаемым способом;

- обеспечения подъема цементного раствора на проектную высоту за счет снижения плотности;

- снижения нагрузки на пласты, особенно в условиях аномальных пластовых давлений и расчетных давлений в процессе цементирования за счет низкой плотности и оптимальных реологических свойств;

- формирование однородного по прочности безусадочного цементного камня.

Кроме того, при использовании для цементирования тампонажного раствора, приготовленного предлагаемым способом, снижается вероятность возникновения заколонных перетоков и нарушений крепи за счет:

- высокой седиментационной устойчивости приготовленных тампонажных растворов;

- улучшенных характеристик сформированного цементного камня за счет прочностных, адгезионных свойств, и низкой проницаемости

этого камня.