ТАМПОНАЖНЫЙ РАСТВОР Российский патент 1997 года по МПК E21B33/138 

Изобретение относится к глубокому бурению, в частности к тампонажным растворам, предназначенным для цементирования обсадных колонн нефтегазовых, геотермальных и специальных скважин в условиях аномальных пластовых давлений и температур.

Известны тампонажные растворы повышенной седиментационной устойчивости, содержащие тампонажный портландцемент, воду и мелкодисперсную добавку - саморассыпающийся шлак производства феррохрома (СРШ) [1]
Недостатком указанных тампонажных растворов является резкое снижение седиментационной и суффозионной устойчивости при повышении содержания воды в смеси (B/C=0,5).

Кроме того, для достижения необходимой седиментационной устойчивости перед вводом в тампонажный раствор СРШ необходимо выдержать в воде затворения в течение 2-3 ч, а полученный таким образом тампонажный раствор обрабатывать в дезинтеграторе с целью дополнительной диспергации твердой фазы тампонажной суспензии, что значительно усложняет технологический процесс приготовления тампонажного раствора.

Наиболее близким к предлагаемому, по технической сущности и достигаемому результату, является тампонажный раствор, включающий тампонажный материал, жидкость затворения воду, обработанную отработанным расплавом титановых хлораторов (ОРТХ) в количестве 50-500 г/л воды [2]
Данный тампонажный состав имеет повышенную по сравнению с [1] седиментационную и суффозионную устойчивость в результате образования в жидкой фазе гелеобразных гидроксидов магния, железа, марганца, хрома, кольматирующих поровое пространство суспензии.

Недостатком этих тампонажных растворов является то, что образование и совместное устойчивое существование указанных гидроксидов металлов имеет место только в начальный момент затворения цемента, когда pH среды не превышает 9,0-9,5. Дальнейшая гидратация тампонажного цемента приводит к повышению щелочности среды, при которой прекращается образование необходимого количества гидроксидов металлов.

Увеличение температуры, как известно, ускоряет процесс гидратации цементных частиц и связанное с этим достаточно быстрое повышение щелочности среды, тем самым еще быстрее наступает равновесие системы, которое также препятствует образовнию необходимого количества гидроксидов и соответственно не достигается требуемое значение седиментационной и суффозионной устойчивости.

Подтверждением тому является то, что вводимый для ускорения сроков загустевания и схватывания при повышенном водосодержании оксид кальция, как известно, одновременно является регулятором седиментационной и суффозионной устойчивости, за счет которого и достигаются требуемые параметры. В соответствии с этим облегченные тампонажные составы, полученные за счет повышения водосодержания и обработанные только ОРТХ, не обладают достаточной седиментационной и суффозионной устойчивостью и не поддаются регулированию сроков схватывания без дополнительной обработки.

Кроме того, плохая растворимость камнеобразного ОРТХ, а также наличие значительного нерастворимого осадка создают дополнительные трудности при приготовлении жидкости затворения в промысловых условиях.

Целью изобретения является повышение седиментационной и суффозионной устойчивости тампонажного раствора при повышенном водосодержании содрежании с одновременным снижением теплопроводности цементного камня.

Поставленная цель достигается тем, что в качестве добавки в тампонажный раствор вводят высокодисперсный гелевый шлам отход гальванического производства, образующийся при нейтрализации солевых растворов гальванических ванн при следующем соотношении компонентов, мас. ч:
Тампонажный цемент 100
Шлам гальванического производства (в пересчете на сухое вещество) - 0,1-20,0
Вода 45-100
В качестве тампонажного цемента могут быть использованы вяжущие материалы на портландцементной и шлаковой основах, а также их смеси.

Шлам гальванического производства (ШГП) представляет собой стабилизированную высококоллоидную систему плотностью 1025-1030 кг/м³, дисперсионной средой которой служит вода, а дисперсной фазой продукты нейтрализации отработанных солевых растворов гальванических ванн обезжиривания, фосфотирования, цинкования, хромирования, кадмирования и оксидирования, представленные в основном комплексы гидроксидов цинка, хрома, кадмия, железа, меди, никеля.

Высокая агрегативная устойчивость ШГП, по-видимому, объясняется низкой поверхностной энергией коллоидных частица за счет присутствия в нем поверхностно-активных веществ ОП-7, ОП-10, поступающих из ванн травления и оксидирования.

После нейтрализации солевого раствора щелочами одновалентных металлов ШГП имеет цвет от серого до темно-коричневого, влажность до 75% Он обладает статическим напряжением сдвига, а полученные гелевые гидроксиды металла - высокой водоудерживающей способностью и тиксотропией.Так, например, ШГП 75% -ной влажности имеет CHC_1/10=19/38, а 15 и 10%-ные водные суспензии шлама 4,8/6,2 и 1,8/2,9 Па соответственно.

Использование ШГП в пределах, указанных в формуле изобретения способствует достижению целей изобретения. При этом предполагается действие ряда факторов, проявляемых ШГП при его введении в тампонажный раствор:
1. Кольматация порового пространства тампонажной суспензии высокодисперсным комплексом гидроксидов металлов.

2. Коллоидный раствор ШГП придает поровой жидкости (жидкости затворения) свойства тонкоструктурированной дисперсии, в частности, такая жидкость приобретает сдвиговую прочность, за счет чего твердые частицы порошкообразного тампонажного материала удерживаются во взвешенном состоянии даже при высоком водосодержании, а наличие сдвиговой прочности у поровой жидкости препятствует возникновению фильтрационных каналов под действием перепада давления и суффозионному каналообразованию в тампонажном растворе.

3. Высокая водоудерживающая способность гелевого комплекса в двух ее разновидностях неструктурной (в виде молекул H₂O) и структурной (в виде OH групп).

Снижение теплопроводности объясняется наличием в поровом пространстве цементного камня высокодисперсных гидроксидов металлов, обладающих значительно более низкой теплопроводностью, чем дисперсная среда и цементный материал, а также наличие более развитого порового пространства с более объемной гидратной оболочкой вокруг цементных частиц, препятствующих их непосредственному контакту.

Приведенные сведения свидетельствуют о том, что предложенное техническое решение удовлетворяет критериям "новизна" и "существенное отличие". Кроме того, разработанный тампонажный раствор и цементный камень из него создает положительный эффект по отношению к известным техническим решениям, что подтверждается результатами сравнительных испытаний, которые представлены в таблице.

Приготовление тампонажного раствора осуществляется следующим образом.

Пример. Требуется приготовить тампонажный раствор из ПЦТ Д20-100 с повышенной седиментационной и суффозионной устойчивостью (повышенным коэффициентом тампонирующей способности K_т) для цементирования скважин с забойной температурой 90^oC и коэффициентом аномальности пластового давления K_a=1,6. Время загустевания раствора не менее 3,5 ч. Для приготовления указанного тампонажного раствора берут 3 мас. ч. ШГП (в пересчете на сухое вещество) и растворяют в 50 мл мас. ч. воды. На полученной жидкости затворяют 100 мас. ч. тампонажного цемента и определяют технологическое свойство тампонажного раствора (табл. пример 4).

Аналогичным образом готовятся тампонажные составы с другими тампонажными цементами и содержанием ШГП и Б/Ц для соответствующих условий цементирования.

Пределы содержания ШГП в тампонажном растворе выбраны из следующих соображений. При содержании ШГП в растворе менее 0,1 мас. ч. не достигается повышения седиментационной и суффозионной устойчивости, сроки схватывания тампонажного раствора не увеличивается, а теплопроводность цементного камня не снижается. При увеличении содержания шлама более 20 мас.ч. резко ухудшается технологические свойства тампонажного раствора (растекаемость, реологические свойства), а седиментационная и суффозионная устойчивость существенно не повышается.

При содержании в растворе менее 45 мас. ч. воды ухудшается подвижность тампонажного раствора, а при содержании более 100 мас.ч. воды ухудшается седиментационная и суффозионная устойчивость тампонажного раствора и прочность цементного камня.

Состав разработанного тампожного раствора подобран таким образом, что позволяет существенно повысить седиментационную и суффозионную устойчивость (коэффициент тампонирующей способности) облегченных тампонажных растворов при сохранении прочности и снижении теплопроводности цеметного камня.

Применение разработанного тампонажного раствора позволит повысить качество крепления скважин, существенно увеличить межремотный период работы скважин, а при эксплуатации геотермальных скважин предотвратить потери тепла пластового флюида по стволу скважин в окружающий массив пород.

Сущность: тампонажный раствор содержит, мас. ч.: тампонажный цемент 100; шлам гальванического производства 0,1-20,0; воду 45-100. 1 табл.

Тампонажный раствор, включающий тампонажный цемент, воду и добавку, отличающийся тем, что он содержит в качестве добавки отход высокодисперсный гелевый шлам гальванического производства, образующийся при нейтрализации солевых растворов гальванических ванн, при следующем соотношении компонентов, мас.ч.

Тампонажный цемент 100
Шлам гальванического производства 0,1 20
Вода 45 100о