ТАМПОНАЖНЫЙ РАСТВОР С МИНЕРАЛИЗОВАННОЙ ЖИДКОЙ ФАЗОЙ Российский патент 1998 года по МПК E21B33/138 

Изобретение предназначено для использования в геологоразведочной, нефте- и газодобывающих отраслях промышленности при цементировании скважин.

При вскрытии пластов на многих разведочных площадях, нефтяных и газовых месторождениях в карбонатных или терригенных отложениях встречаются пропластки солей. Почти повсеместно над продуктивными горизонтами покрышки представлены хемогенными отложениями. В таких условиях одним из наиболее распространенных подходов к созданию герметичного цементного кольца в затрубном пространстве скважин является минерализация жидкой фазы тампонажных растворов - ввод в них солей, что исключает растворение проходимых хемогенных отложений и предотвращает образование в связи с этим зазоров вокруг цементного кольца. В случаях, когда без перекрытия обсадной колонной вскрытых пород осуществляется разбуривание и соленосных, и расположенных под ними пластов с низкими давлениями, возможны поглощения тампонажных давлений, превышающих пластовые.

При затворении тампонажных материалов минерализованными до насыщения хлоридом натрия жидкостями плотность образующихся растворов увеличивается на величины, достигающие 150 - 200 кг/м³, что способствует возрастанию опасности поглощений. Исходя из этого плотность наполнителей должна быть особенно низкой, чтобы в условиях утяжеления за счет соли тампонажных растворов исключить возможность их ухода в пласты. Но не только это является важным для рассматриваемых случаев. С точки зрения получения в скважине герметичного и долговечного цементного кольца должна быть и химическая совместимость всех компонентов облегченной тампонажной системы. Особенные сложности возникают в значительном числе случаев, когда ставится задача получить минерализованные облегченные тампонажные растворы не только для действующих ускоряюще высоких температур (эта задача решалась многими исследователями и весьма успешно), но и для низких, поскольку наибольшие объемы буровых работ приходятся на северные регионы. А низкие температуры замедляют процессы гидролиза и гидратации вяжущих систем, приводя к ухудшению их свойств, в частности к удлинению сроков схватывания, увеличению водоотделения раствора, снижению прочности, повышению проницаемости камня. Данные отрицательные явления усугубляются при вводе облегчающих наполнителей, которые в большинстве случаев не обладают вяжущими свойствами и этим осложняют получение качественного тампонажного раствора и камня, к аналогичным последствиям приводит и высокая минерализация цементных систем, например, хлоридом натрия.

Известны составы тампонажных растворов с минерализованной жидкой фазой, приготавливаемые с использованием в качестве вяжущей основы портландцемента, в которые для снижения плотности вводят мел [1]. Однако плотность такого раствора составляет 1740 кг/м³ и выше, что не исключает возможности поглощений при цементировании скважин, имеющих в своих разрезах пласты с низкими давлениями.

Известен также состав тампонажного цементного раствора, в который для снижения плотности вводится глинопорошок, содержащий бентонит [2]. При низких положительных температурах такой раствор при удовлетворении по технологическим свойствам требованиям стандарта и вводе в жидкую фазу хлорида натрия до насыщения имеет минимальную плотность 1680 кг/м³. Эта величина хотя и меньше, чем при вводе в тампонажный цементный раствор мела, но также не может обеспечить исключение поглощений при цементировании в условиях низких пластовых давлений. Кроме того, в связи с тем, что глинопорошок, содержащий бентонит, не солестоек, технологические параметры такого тампонажного раствора и камня при вводе хлорида натрия ухудшаются.

Наиболее близким из аналогов является тампонажный раствор с минерализованной жидкой фазой для цементирования скважин, в том числе при вскрытии хемогенных отложений, содержащий портландцемент, насыщенный водный раствор NaCl, облегчающую добавку и хроматный шлам [3].

Решаемой задачей является уменьшение при низких температурах плотности тампонажного раствора с минерализованной жидкой фазой, улучшение прочностных и герметизированных свойств камня для пластов с низкими давлениями.

Задача решается за счет того, что тампонажный раствор с минерализованной жидкой фазой для цементирования скважин, вскрывших хемогенные отложения, содержащий портландцемент, насыщенный водный раствор хлорида натрия и облегчающую добавку, содержит в качестве облегчающей добавки тонкодисперсный отход алюминиевого производства (ТОАП) и дополнительно сульфат натрия при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Портландцемент - 41,46 - 50,65
ТОАП - 9,62 - 11,61
Сульфат натрия - 0,71 - 1,29
Насыщенный водный раствор хлорида натрия - Остальное
Пример. Для получения вяжущих смесей берут пробы тампонажного портландцемента Спасского завода, ТОАП Братского алюминиевого завода, сульфат и хлорид натрия квалификации ч. д.а. Для сопоставительных опытов в качестве облегчающего наполнителя был использован глинопорошок (ГП) Черногорского завода, а портландцемент и химические реагенты взяты те же. Физические и химические характеристики облегчающих наполнителей приведены в табл. 1.

Все опыты проводились посредством затворения порошкообразных материалов 30%-ным водным раствором хлорида натрия. Количества ТОАП и сульфата натрия в рецептурах увеличивали до получения механической прочности, соответствующей ГОСТ 1581-91 и несколько меньшей. При этом тампонажный раствор должен был обладать необходимой прокачиваемостью (растекаемостью по конусу АзНИИ). Полученные результаты сопоставлялись со свойствами облегченных цементно-глинистых растворов. Минимальное количество ТОАП принималось исходя из требований получения тампонажного раствора, считающегося по этому ГОСТу облегченным. Данные об опытах приведены в табл. 2.

Граничные значения количеств компонентов в предлагаемом тампонажном растворе найдены исходя из следующего.

При содержании портландцемента менее 41,46 мас.% (группа опытов N 11) прочность цементного камня меньше, чем допускается по стандарту, а при содержании портландцемента более 50,65 мас.% (группа опытов N 2) плотность больше, чем определено ГОСТом для облегченных тампонажных растворов. Исходя из данных экспериментальных работ с предлагаемыми составами, граничные значения количеств компонентов следующие, мас.%:
Портландцемент - 41,46 - 50,65
ТОАП - 9,62 - 11,61
Сульфат натрия - 0,71 - 1,29
Насыщенный водный раствор хлорида натрия - Остальное
Облегченный тампонажный раствор, принятый за контрольный (прототип), имеет значительно более высокие плотности (минимальная 1640 кг/м³ против 1490 кг/м³ у предлагаемого).

Результаты экспериментальных работ показали, что предлагаемый состав облегченного тампонажного раствора с минерализованной хлоридом натрия жидкой фазой имеет по сравнению с прототипом следующие преимущества:
- достигается значительно более низкая плотность;
- при вводе одних и тех же количеств облегчающего наполнителя прочность камня с ТОАП выше.

Повышение прочности цементного камня с ТОАП обусловлено тем, что в этом случае действует следующий механизм взаимодействия компонентов. При вводе в вяжущую систему сульфата натрия он вступает в реакцию с известью гидратированных минералов портландцемента, образуя тонкодисперсный гипс и гидроксид натрия. Такой гипс, обладая высокой реакционной способностью, взаимодействует с трехкальциевым алюминатом, что за счет образования дополнительных количеств гидросульфоалюминатов кальция приводи к ускорению твердения цементного камня. Образующиеся гидроксид натрия, а также Ca(OH)₂ минералов портландцемента связываются диоксидом кремния ТОАП, что придает цементному камню повышенную коррозионную устойчивость. В связи с избытком диоксида кремния в системе и полным связыванием извести происходит образование низкоосновных гидросиликатов кальция, придающих способность цементному камню длительно твердеть во времени.

Тампонажный раствор с минерализованной жидкой фазой для цементирования скважин, вскрывших хемогенные отложения, содержит, мас.%: портландцемент 41,46 - 50,65; тонкодисперсный отход алюминиевого производства (ТОАП) 9,62 - 11,61; сульфат натрия 0,71 - 1,29; насыщенный водный раствор хлорида натрия - остальное. 2 табл.

1. Тампонажный раствор с минерализованной жидкой фазой для цементирования скважин, вскрывших хемогенные отложения, содержащий портландцемент, насыщенный водный раствор хлорида натрия и облегчающую добавку, отличающийся тем, что в качестве облегчающей добавки он содержит тонкодисперсный отход алюминиевого производства (ТОАП) и дополнительно сульфат натрия при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Портландцемент - 41,46 -50,65
ТОАП - 9,62 - 11,61
Сульфат натрия - 0,71 - 1,29
Насыщенный водный раствор хлорида натрия - Остальноез