ТАМПОНАЖНЫЙ РАСТВОР Российский патент 1995 года по МПК E21B33/138 

Изобретение относится к тампонажным растворам, используемым при креплении глубоких нефтяных и газовых скважин.

По температуре применения тампонажные цементы делятся: для низких температур (менее 15^оС); для нормальных температур (15-50^оС); для умеренных температур (50-100^оС); для повышенных температур (100-150^оС) и т.д.

При цементировании обсадных колонн глубоких скважин для изоляции затрубного пространства тампонажным раствором перекрывают одновременно горные породы в широком температурном интервале. Поэтому для цементирования глубоких скважин необходимы различные тампонажные цементы и приготовленные на их основе тампонажные растворы.

Известны тампонажные растворы для крепления нефтяных и газовых скважин, где в качестве основного компонента применяют тампонажный цемент, который затворяют водой, получая цементный раствор. Для расширения температурного интервала применения цементного раствора его модифицируют с помощью химических реагентов.

Для предупреждения преждевременного загустевания и схватывания в тампонажные растворы вводят химические добавки-замедлители схватывания (сульфатно-дрожжевую бражку, окзил, нитрилотриметилфосфоновую кислоту, хромпик, синтетическую винную кислоту, гипан, триоксиглутаровую кислоту, борную кислоту, декстрин и др.), температурные области применения этих реагентов, их дозировки приведены в работе [1]
Недостатками известных реагентов является их побочное действие на основные технологические параметры, обеспечивающие транспортировку тампонажного раствора по трубам, а также на образование камня, обеспечивающего прочность крепи скважины. Многие из реагентов токсичны и оказывают вредное влияние на организм человека и окружающую среду. В связи с большими потребностями химреагентов необходимо изыскание новых веществ для приготовления тампонажных растворов.

Наиболее близким по достигаемому результату известен тампонажный раствор, включающий портландцемент, воду и добавку пластификатор дихлорид бис-(N, N-диметил-N-карбодецоксиметил-N-этиленаммония)-сульфид (тионий) при следующем соотношении компонентов, мас. Портландцемент 66,622-66,660 Вода 33,311-33,330 Тионий 0,010-0,067.

Недостатком известного тампонажного раствора является узкий температурный диапазон его применения. При умеренных и повышенных забойных температурах тампонажный раствор быстро загустевает и схватывается и происходит снижение во времени прочности камня, что приводит к различным осложнениям при цементировании обсадных колонн глубоких скважин. Так, например, состав, содержащий 66,66 мас. портландцемента, 33,33 мас. воды и 0,067 мас. тиония при + 75^оС загустевает через 40 мин перемешивания, а образовавшийся камень через 1 сут твердения имел прочность при изгибе 4,2 МПа, то при хранении 7 сут образцы снизили прочность до 3,2 МПа [2]
Целью изобретения является снижение времени загустевания, сроков схватывания и повышение прочности тампонажного раствора при умеренных и повышенных температурах.

Тампонажный раствор, включающий портландцемент, добавку и воду, дополнительно содержит в качестве добавки пентаэритрит при следующем соотношении компонентов, мас. Портландцемент 63,2-64,2 Пентаэритрит 0,6-2,0 Вода Остальное
Пентаэритрит, химическая формула С(СН₂ОН)₄, по внешнему виду представляет собой белый порошок, частицы которого представляют кристаллические тетраэдры. Молекулярная масса 136,15, температура плавления 260,5^оС, растворяется в воде (5,56 г на 100 мл). Выпускается по ТУ 6-09-3329-78. Применяется в качестве исходного компонента для синтеза различных ПАВ, шампуней, высокомолекулярных соединений и взрывчатых веществ. По сравнению с известными реагентами, являющимися оксикарбоновыми кислотами, пентаэритрит не содержит карбоксильной группы, что делает его особенно устойчивым к высоким температурам, кроме того не оказывает вредного влияния на окружающую среду.

Пентаэритрит, обладая способностью образовывать хелатные комплексы с катионами кальция, препятствует зародышеобразованию и появлению новой кристаллической фазы, увеличивая инкубационный период структурообразования, что приводит к замедлению времени загустевания и схватывания.

На чертеже представлен график изменения консистенции (К, в условных единицах консистенции) при температуре 75^оС в зависимости от времени перемешивания ( τ ч) (кривые 1, 2, 3 и 4 приведены для составов 2, 3, 4 и 5 табл.1 соответственно).

Сравнительные данные технологических свойств известного состава и заявляемого тампонажного раствора приведены в табл. 1, 2 и 3.

Готовят тампонажный раствор путем перемешивания цемента с водой затворения, в которой предварительно растворяют пентаэритрит.

Замеры технологических свойств тампонажного раствора производили в соответствии ГОСТ 26798.0-85-26798.2-85. Цементы тампонажные (методы испытаний).

Измерение плотности, растекаемости, сроков схватывания, времени загустевания на консистометрах КЦ-3 и КЦ-5 производили при температуре и давлении стандартных испытаний.

Для условий нормальных температур испытания проводили при 22± 2^оС, для условий умеренных при температуре 75± 3^оС и давлении 0,1 МПа, а повышенных при температуре 120 ± 5^оС и давлении 40,0 МПа.

В табл. 1 и 2 приведены свойства известного цементного раствора (состава 1 и 2), приготовленные при водоцементном отношении 0,50 и 0,55 соответственно, а также заявляемого тампонажного раствора, содержащего пентаэритрит (составы 3, 4, 5 и 6), приготовленные при В/Ц 0,55.

П р и м е р 1. Брали 600 г (64,2 мас.) цемента и затворяли его при нормальных условиях в 330 г (35,2 мас.) воды, в которой предварительно растворяли 5,6 г (0,6 мас.) пентаэритрита (состав 3). Растекаемость раствора увеличилась до 22 см. Время загустевания при 75^оС и атмосферном давлении удлинилось до 3 ч 15 мин. Время начала схватывания при 75^оС удлинилось до 3 ч 20 мин, конец схватывания до 4 ч 25 мин.

П р и м е р 2. Брали 600 г (63,7 мас.) цемента и затворяли его в 350 г (35,0 мас.) воды, в которой ранее растворили 12,2 г (1,3 мас.) пентаэритрита (состав 4). Растекаемость увеличилась до 22,5 см. Время загустевания при 75^оС удлинилось до 4 ч 15 мин. Начало схватывания 4 ч 20 мин, конец схватывания 5 ч 15 мин.

П р и м е р 3. Брали 600 г (63,2 мас.) цемента, затворяли его в 330 г (34,8 мас.) воды, в которой предварительно растворили 18,7 г (2, мас.) пентаэритрита (состав 5). Растекаемость увеличилась до 23,0 см.Время загустевания при 75^оС увеличилось до 5 ч. Начало схватывания 5 ч 30 мин, конец схватывания 7 ч 15 мин.

Результаты измерения времени загустевания и сроков схватывания при 210^оС и давлении 40,0 МПа, приведенные в табл.3, показывают, что при повышенной температуре также наблюдается эффект замедления времени загустевания и увеличения сроков схватывания.

Известный цементный раствор (состав 1), содержащий 66,6 мас. цемента и 33,4 мас. воды, имеет плотность 1,80 г/см³, растекаемость 18,0 см. При температуре 22^оС начало схватывания 8 ч, конец схватывания 10 ч. При увеличении водоцементного отношения состав 2, содержащий 64,5 мас. цемента и 35,5 мас. воды, имеет плотность 1,77 г/см³, растекаемость 20,0 см, при 22^оС начало схватывания 11 ч 50 мин, конец схватывания 14 ч 55 мин.

При 75^оС цементный раствор (состав 1) загустевает за 30 мин, состав 2 за 2 ч 10 мин.

Известный цементный раствор (состав 2) загустевает при 120^оС и давлении 40,0 МПа за 45 мин, начало схватывания наступает через 50 мин, конец схватывания 1 ч 20 мин.

Состав 3, содержащий 0,6 мас. пентаэритрита, загустевает при 120^оС через 1 ч 30 мин, начало схватывания 1 ч 50 мин, конец схватывания 2 ч 30 мин.

Как видно из табл. 1, модификация раствора пентаэритритом приводит к улучшению основных технологических параметров. При введении в состав цементного раствора пентаэритрита увеличивается растекаемость тампонажного раствора важный параметр, характеризующий прокачиваемость тампонажного раствора.

Уменьшается консистенция тампонажного раствора при увеличении концентрации пентаэритрита и замедляется процесс загустевания.

Тампонажный раствор, содержащий пентаэритрит, сохраняет свою подвижность более длительное время в сравнении с цементным раствором.

Как видно из табл.1, при нормальной температуре составы 3, 4 и 5, содержащие 0,6, 1,3 и 2,0 мас. пентаэритрита, имеют удовлетворительные свойства тампонажного раствора. Состав 5, содержащий 63,2 мас. цемента, 2,0 мас. пентаэритрита и 34,8 мас. воды, имеет плотность 1,77 г/см³, растекаемость 23,0 см, начало схватывания 16 ч 40 мин, конец схватывания 19 ч 55 мин. При концентрации более 2,0 мас. удлиняются сроки схватывания при 22^оС и превышают ожидаемое время затвердевания (24 ч). Состав 6, содержащий 63,1 мас. цемента, 2,2 мас. пентаэритрита и 34,7 мас. воды, имеет растекаемость 23,5 см, начало схватывания 18 ч, конец схватывания 24 ч 30 мин.

При 75^оС введение в состав пентаэритрита также замедляет сроки схватывания и увеличивает время загустевания.

Состав 5, содержащий 2,0 мас. пентаэритрита, загустевает за 2 ч 10 мин, начало схватывания 2 ч 40 мин, конец схватывания 3 ч 20 мин.

Концентрация менее 0,6 мас. пентаэритрита оказывают при повышенной температуре незначительные влияния на сроки схватывания и время загустевания.

Концентрации более 2,0 мас. пентаэритрита оказывают также замедляющее действие при повышенной температуре, однако при нормальной температуре сроки схватывания тампонажного раствора превышают ожидаемое затвердевание (ОЗЦ), а образующийся камень медленно набирает прочность как при нормальных, так и при умеренных температурах. Суточная прочность образующегося камня при 75^оС и давлении 0,1 МПа за предельным значением достигает лишь 50% от прочности образцов без добавки пентаэритрита.

Как видно из табл.2, прочность образцов образующегося при 75^оС тампонажного камня, содержащего пентаэритрит, в возрасте 1 сут меньше в сравнении с камнем, приготовленным без добавки, это объясняется замедлением процесса твердения. Однако в более поздние сроки твердения (через 7 сут и более) образцы камня с пентаэритритом имеют прочность больше в сравнении с образцами, приготовленными без добавки.

При 120^оС и давлении 40,0 МПа образцы тампонажного раствора быстрее набирают прочность. Предел прочности камня при изгибе через 1 сут твердения для составов 3 и 5 превышает значения для состава 2, приготовленного без пентаэритрита.

Тампонажный раствор, содержащий в составе пентаэритрит, имеет улучшенные технологические свойства (большую растекаемость и меньшую консистенцию), поэтому оказывает меньшие гидравлические сопротивления при движении по трубам в процессе транспортировки через повышенные температуры горных пород, расширяет температурный интервал применения и повышает качество крепления глубоких скважин.

Применение пентаэритрита для модификации тампонажного раствора расширяет ассортимент химических реагентов для регулирования сроков схватывания и времени загустевания цементного раствора.

Использование: бурение и крепление скважин на нефть и газ и предназначено для приготовления тампонажных растворов. Тампонажный раствор содержит портландцемент, пантаэритрит и воду. Пентаэритрит используют в количестве от 0,6 до 2% от массы тампонажного раствора. 1 ил. 3 табл.

ТАМПОНАЖНЫЙ РАСТВОР, содержащий портландцемент, добавку и воду, отличающийся тем, что в качестве добавки он содержит пентаэритрит при следующем соотношении компонентов, мас.

Портландцемент 63,2 64,2
Пентаэритрит 0,6 0,2
Вода Остальное