ТАМПОНАЖНЫЙ РАСТВОР Российский патент 1996 года по МПК E21B33/138 

Изобретение относится к созданию облегченных тампонажных растворов для цементирования обсадных колонн в глубоких нефтяных и газовых скважинах при наличии в геологическом разрезе многолетнемерзлых пород, а также пород, имеющих низкие градиенты давлений гидроразрыва.

При строительстве глубоких скважин в сложных термобарических условиях требуются облегченные тампонажные растворы с заданными технологическими свойствами, обеспечивающими процессы качественного цементирования обсадных колонн и надежной изоляции заколонного (межколонного) пространства.

Тампонажные растворы по плотности подразделяются на легкие (менее 1400 кг/куб.м), облегченные (1400-1650 кг/куб.м), нормальные (1650-1950 кг/куб.м) и т.д.

При наличии в геологическом разрезе горных пород с коэффициентом гидроразрыва 0,0165 МПа/м и менее требуется применение облегченного тампонажного раствора.

Кроме того, время загустевания тампонажного раствора должно обеспечить проведение технологических операций по цементированию в температурном интервале скважины.

При наличии в разрезе многолетнемерзлых пород, закачанный облегченный тампонажный раствор должен быть седиментационно-устойчивым, не образовывать "водяных" поясов и каналов в цементном кольце, а образующийся камень обладать морозостойкостью.

Известен тампонажный раствор, содержащий цемент, гидроксихлорид алюминия и воду (1). Соотношения компонентов в растворе в вес. частях следующие:
Цемент 100
Гидроксихлорид алюминия 0,77-1,77 (или 0,1-4,5% от веса сухого цемента)
Вода 26,55-58,94 (или 30-150% от веса сухого цемента).

Седиментационная устойчивость раствора равна 0,5-1% т.е. растворы дают большой водоотстой. В составе тампонажного раствора используют облегченное вяжущее. Кроме того, образующийся раствор не является морозостойким, что затрудняет его использование при низких температурах.

Наиболее близким по составу является тампонажный раствор (2), содержащий портландцемент тампонажный, ускоритель схватывания основной хлорид алюминия (ОХА) и воду при следующем соотношении компонентов, мас.

Портландцемент тампонажный 62-67
Основной хлорид алюминия 0,25-3,0
Вода остальное
Расчетная плотность этого состава составляет 1751-1884 кг/куб.м.

Оксихлорид алюминия, адсорбируясь на частицах клинкера, обеспечивает образование мелкодисперсных фракций, которые определяют прочность камня и его долговечность, поэтому в известном составе основной хлорид алюминия вводится с целью сокращения сроков схватывания и времени ожидания затвердения цемента при одновременном повышении долговечности камня.

Однако этот состав является раствором нормальной плотности, что ограничивает его применимость в интервалах пород, склонных к гидроразрывам и поглощению.

Кроме того, этот состав быстро загустевает при увеличении концентрации оксихлорида алюминия. Указанный недостаток приводит к осложнениям, понижающим качество крепления (неподъем тампонажного раствора до проектного значения, оставление цементных стаканов в колонне и т.д.).

Изобретение направлено на создание седиментационно-устойчивого состава тампонажного раствора для цементирования обсадных колонн и получения морозостойкого камня при сохранении его прочности.

Для достижения результата тампонажный раствор содержит ингредиенты при следующем соотношении, мас.

Портландцемент тампонажный 43,71-56,56
Основной хлорид алюминия 1,75-2,26
Вода Остальное
Расчетная плотность тампонажного раствора при этом соотношении ингредиентов составляет 1450-1620 кг/куб.м. Растекаемость раствора по конусу АзНИИ 23-30 см, коэффициент водоотделения, характеризующий седиментационную устойчивость равен 0,0% консистенция раствора обеспечивает его прокачивание при контакте с горными породами с температурой +75^oC.

Для приготовления облегченного тампонажного раствора использовали портландцемент тампонажный марки ПЦТ-Д20-50, водопроводную воду и основной хлорид алюминия.

На фиг. 1 приведены результаты измерений консистенции (К) различных составов тампонажных растворов в процессе их перемешивания в косистометре КЦ-5 при повышении температуры от +20 до +75^oC во времени ((τ).).

Основные технологические свойства облегченного тампонажного раствора и камня приведены в таблице 1, результаты испытаний раствора на морозостойкость представлены в таблице 2.

Облегченный тампонажный раствор приготавливается следующим образом.

П р и м е р 1. Для получения облегченного тампонажного раствора (состав N 1, табл.1) навешивает 2,26 г ОХА, которые растворяют в 41,18 г воды, затем затворяют 56,56 г тампонажного портландцемента. После 3 минут перемешивания замеряют плотность, растекаемость по конусу АзНИИ и определяют коэффициент водоотделения в вертикальном цилиндре (ГОСТы 26798.0-85 26798.2-85. Цементы тампонажные. Методы испытаний).

Полученный тампонажный раствор имеет плотность 1620 кг/куб.м, растекаемость 23 см и коэффициент водоотделения 0%
П р и м е р 2. Для получения облегченного тампонажного раствора (состав N 5, табл.1) навешивают 1,75 ОХА, который растворяют в 54,54 воды и затворяют 43,71 г тампонажного портландцемента.

Полученный тампонажный раствор имеет плотность 1450 кг/куб.м, растекаемость 30 см и коэффициент водоотделения 0,0% Раствор при +75^oC не загустевает на протяжении 180 мин перемешивания (фиг. кривая 5), что позволяет его применять в нижней части скважины.

Увеличение содержания ОХА до 2,98 мас. при плотности облегченного тампонажного раствора 1450 кг/куб.м (состав N 8, табл.1) также не загустевает за 180 мин (фиг. кривая 8).

П р и м е р 3. Необходимо приготовить облегченный тампонажный раствор с временем загустевания при температуре +75^oC не ранее 180 мин. Для этих целей подходит (состав N 7, табл.1). Время загустевания при температуре +75^oC составляет 175 мин (фиг. кривая 7).

Как видно из табл.1, состав N 6 имеет плотность 1790 кг/куб.м, относится к раствору нормальной плотности, а не облегченный, не обеспечивает достижение поставленной задачи.

Кроме того, этот состав из-за повышенного содержания оксихлорида алюминия и малого количества воды быстро загустевает. Это наглядно представлено на фиг. 1, где приведены результаты измерений консистенции (К) различных составов тампонажных растворов в процессе их перемешивания в косистометре.

Время загустевания при заданной температуре регулируют изменением содержания оксихлорида алюминия. Для этого полученный раствор заливают в консистометр КЦ-5 или КЦ-3 и определяют время загустевания (время, в течение которого консистенция достигает 30 ед. К от момента затворения).

Как видно из фиг. 1 (кривая 6), исследуемый состав 1 имеет повышенную начальную консистенцию 38 единиц консистенции, а через 30 мин перемешивания консистенция достигнет 52 ед. К.

Время загустевания состава N 1 при температуре +75^oC составляет 30 мин (фиг. кривая 1).

Проведены испытания образующегося камня при граничных значениях ингредиентов на морозостойкость.

Для испытаний формируются образцы-призмы из облегченного тампонажного раствора плотностью 1620, 1550 и 1450 кг/куб.м. После формирования камня определяется начальная прочность, а затем камень подвергается цикличному замораживанию при минус 5^oC и оттаиванию при +20^oC. Через каждые 5 циклов определяют прочностные характеристики образцов.

По результатам испытаний облегченный тампонажный камень, приготовленный согласно составов NN 1, 3 и 5 (табл.2) в процессе цикличного воздействия знакопеременных температур не разрушается. При этом происходит повышение прочности образцов во времени.

Облегченные растворы, выходящие за предельные значения ингредиентов образуют камень низкой прочности, разрушающийся при циклическом воздействии отрицательной температуры.

Введение в состав тампонажного раствора основного хлорида алюминия, снижает плотность раствора, повышает водосодержание и позволяет получить седиментационно-устойчивый облегченный тампонажный раствор плотностью 1450 кг/куб. м. Практически составы с оксихлоридом алюминия, представленные в табл.1 не образуют водоотстоя при выдерживании их в вертикальных цилиндрах.

При увеличении в растворе количества основного хлорида алюминия образуется быстро загустевающий раствор, который плохо прокачивается, а при уменьшении ОХА увеличивается водоотстой, раствор делается седиментационно неустойчивым и длительно не затвердевает.

Превышение граничных значений тампонажного портландцемента связано с увеличением плотности раствора, а снижение количества вяжущего приводит к увеличению сроков схватывания.

Использование облегченного тампонажного раствора позволит проводить операции по цементированию без поглощений, что обеспечит подъем тампонажного раствора до проектного значения, а цементирование в кавернозной части интервала многолетнемерзлых пород седиментационно-устойчивым тампонажным раствором, образующим морозостойкий камень, повысит качество крепления при снижении расхода тампонажного портландцемента.

Изобретение может быть использовано для цементирования обсадных колонн облегченными тампонажными растворами в глубоких нефтяных и газовых скважинах при наличии в геологическом разрезе многолетнемерзлых пород, а также пород, имеющих низкие градиенты давлений гидроразрыва. Тампонажный раствор содержит портландцемент тампонажный (43,71-56,56 мас. %), основной хлорид алюминия (1,75-2,26 мас. %) и воду (остальное). Состав имеет низкую плотность (облегченный тампонажный раствор), повышает водосодержание, седиментационно-устойчивый и может быть использован при низких температурах. 1 ил., 2 табл.

Тампонажный раствор для цементирования обсадных колонн, содержащий портландцемент тампонажный, основной хлорид алюминия и воду, отличающийся тем, что раствор содержит указанные компоненты в следующем соотношении компонентов, мас.

Портландцемент тампонажный 43,71 56,56
Основной хлорид алюминия 1,75 2,26
Вода Остальное