УТЯЖЕЛЕННЫЙ ТАМПОНАЖНЫЙ РАСТВОР Российский патент 1998 года по МПК E21B33/138 

Изобретение относится к тампонажным растворам, используемым при цементировании обсадных колонн глубоких нефтяных и газовых скважин в интервале аномально высоких пластовых давлений и температур.

Известны утяжеленные тампонажные растворы, включающие портландцемент тампонажный, утяжеляющую добавку и воду [1].

Недостатком известных утяжеленных тампонажных растворов является преждевременное загустевание, приводящее к различным осложнениям при цементировании обсадных колонн (недоподъемы раствора, гидроразрывы пластов и оставление больших цементных стаканов). Повышение водосмесевого отношения приводит к улучшению прокачиваемости тампонажного раствора, но при этом уменьшается плотность и снижается седиментационная устойчивость раствора, что является причиной образования водяных поясов и каналов, снижающих качество крепления обсадных колонн в интервале аномально высоких пластовых давлений и температур.

Наиболее близким по составу и назначению является утяжеленный тампонажный раствор, включающий портландцемент тампонажный, утяжеляющую добавку и воду [2].

Недостатком известного раствора является преждевременное загустевание, приводящее к уменьшению времени прокачиваемости, седиментационная неустойчивость, что не дает возможности его использования в интервале аномально высоких пластовых давлений и температур.

Задачей изобретения является улучшение основных технологических параметров утяжеленного тампонажного раствора и камня, обеспечивающего безаварийный процесс цементирования обсадных колонн в зоне аномально высоких пластовых давлений.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение седиментационной устойчивости, увеличение времени прокачиваемости утяжеленного тампонажного раствора при умеренных и повышенных температурах при одновременном обеспечении остальных технологических параметров раствора и камня.

Сущность изобретения заключается в том, что заявляемый утяжеленный тампонажный раствор, включающий портландцемент тампонажный, утяжеляющую добавку и воду, в отличие от известного содержит железорудный концентрат из титано-ванадиевых магнетитовых руд (ЖРК) и феррохромлигносульфонат (ФХЛС) при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
Портландцемент тампонажный - 59,13 - 29,52
Железорудный концентрат - 14,78 - 44,28
Феррохромлигносульфонат - 0,22 - 0,37
Вода - Остальное
Таким образом сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый утяжеленный тампонажный раствор отличается от известного введением новых компонентов, а именно железорудного концентрата из титано-ванадиевых магнетитовых руд и феррохромлигносульфоната при вышеприведенном соотношении компонентов, т.е. заявляемое изобретение отвечает критерию "новизна".

Поскольку использование изобретения позволяет осуществить существующую потребность, заявляемое изобретение отвечает критерию "изобретательский уровень".

Железорудный концентрат из титано-ванадиевых магнетитовых руд выпускается в качестве утяжелителя для буровых растворов. Согласно ТУ0803-22-0158754-95 плотность утяжелителя составляет 4,6 - 5,0 г/см³. Железорудный концентрат соответствует высшим сортам утяжелителей по стандарту АНИ и ОСМА, обеспечивает утяжеление буровых и тампонажных растворов, благодаря высокой дисперсности обеспечивает седиментационную устойчивость растворов. Наличие окислов железа в железорудном концентрате способствует образованию высокопрочных ферритных и алюмоферритных гидрогранатов, устойчивых в пластовых флюидах. В сочетании с феррохромлигносульфонатом обеспечивается высокая прокачиваемость и устранение преждевременного загустевания утяжеленного тампонажного раствора при низких водосмесевых отношениях.

На чертеже изображен график, где показана зависимость времени загустевания (достижение консистенции 30 ед. к. на консистометре КЦ-3) утяжеленного тампонажного раствора от содержания железорудного концентрата при граничных значениях феррохромлигносульфоната от 0,22 мас.% (кривая 1) до 0,37 мас.% (кривая 2) при постоянном водосмесевом отношении 0,35 и режимных условиях: температуре 100^oC и давлении 50 МПа.

Сравнительные данные свойств известного состава приведены в табл. 1, а заявляемого утяжеленного тампонажного раствора в предельных (составы 1 - 1) и запредельных значениях ингредиентов (составы 12 - 17) - в табл. 2 и 3.

Утяжеленный тампонажный раствор готовят следующим образом. Необходимое количество феррохромлигносульфаоната растворяют в воде. Затем на полученном водном растворе при непрерывном перемешивании затворяют смесь тампонажного портландцемента и железорудного концентрата в заданных соотношениях.

В представленных экспериментальных данных использовали портландцемент тампонажный ПЦТ Д20-50 по ГОСТ 1581-91, железорудный концентрат ЖРК-1 по ТУ 0803-33-0158754-95, феррохромлигносульфонат по ТУ 39-01-08-348-78 и воду водопроводную по ГОСТ 2874-82.

Определение основных свойств утяжеленного тампонажного раствора и камня производят в соответствии ГОСТ 26798.0 - ГОСТ 26798.2-85 "Цементы тампонажные. Методы испытаний". Определение плотности, растекаемости, водоотделения производят при 20 ± 2^oC и атмосферном давлении. Для условий умеренных температур испытания производят при 75 ± 3^oC и атмосферном давлении, для условий аномально-высоких пластовых давлений при режимной температуре 100 ± 5^oC и давлении 50 ± 5 МПа. Растекаемость определяют по конусу АзНИИ, плотность - пикнометром, коэффициент водоотделения - в мерном цилиндре, сроки схватывания - иглой Вика, время загустевания на консистометре КЦ-3, пределы прочности камня при изгибе и сжатии - на испытательной машине МИИ-100 и прессе ПСУ-10.

Пример. Для приготовления 1 кг утяжеленного тампонажного раствора (состав 6, табл. 2) необходимо взять 3 г феррохромлигносульфоната, растворить в 258,4 см воды, затем 590,8 г портландцемента смешать с 147,8 г железорудного концентрата и полученную сухую смесь затворить приготовленной жидкостью известными способами. Состав перемешивают 3 мин, после чего определяют плотность, растекаемость, коэффициент водоотделения. Раствор заливают в формы для определения сроков схватывания, времени загустевания и предела прочности камня. При умеренных температурах образцы хранят в термованне с гидравлическим затвором, а повышенных - в автоклаве. Камень испытывают на прочность через 24 ч твердения при режимных температурах и давлении.

Результаты испытаний приведены в табл. 2 и 3. Приготовленный состав 6 имеет плотность 2,04 г/см³, растекаемость - 18,5 см, коэффициент водоотделения - 1,5 %, начало схватывания при 75^oC через 7 ч 05 мин, конец схватывания - 9 ч 30 мин, предел прочности камня через 24 ч твердения при 75^oC составляет при изгибе 5,5 МПа, при сжатии - 29,6 МПа, время загустевания при 100^oC и давлении 50 МПа наступает через 2 ч, предел прочности камня при изгибе составляет 6,6 МПа, сжатии - 30,2 МПа. Примеры приготовления и испытания остальных составов, приведенных в табл. 2, аналогичны вышеописанному.

Для выявления отличительных признаков и положительного эффекта изменяли массовые соотношения ингредиентов в широком интервале значений.

Как видно из графика и данных таблиц, заявляемый утяжеленный тампонажный раствор обладает повышенной по сравнению с прототипом прокачиваемостью (растекаемость не менее 18 см) и более длительными сроками загустевания, которые проявляются при граничных значениях феррохромлигносульфоната от 0,22 до 0,37 мас.%, железорудного концентрата от 14,78 до 44,28 мас.% (с максимумом 25 - 30 мас.%) и более высокой седиментационной устойчивостью при граничных значениях портландцемента от 29,52 до 59,13 мас.%, водосодержании от 25,83 до 25,87 мас.%. При этом сохраняются основные технологические параметры (сроки схватывания и прочность камня).

При содержании в растворе железорудного концентрата менее 14,78 мас.% (состав 12, табл. 2) раствор сразу же загустел (растекаемость снижается до 17 см), а при содержании железорудного концентрата более 44,28 мас.% (состав 13) увеличивается водоотделение раствора и снижается прочность камня.

При уменьшенном содержании феррохромлигносульфоната (менее 0,22 мас.%) раствор быстро загустевает и становится непрокачиваемым (состав 16, табл.2), при увеличенном содержании феррохромлигносульфоната (более 0,37 мас.%) раствор становится седиментационно неустойчивым (состав 17, табл. 2).

При увеличении водосодержания боле 25,87 мас.% раствор становится седиментационно неустойчивым - коэффициент водоотделения составляет 12 % (состав 15, табл. 2), а при водосодержании менее 25,83 мас.% раствор быстро загустевает и теряет прокачиваемость (состав 14, табл. 2).

Предлагаемый утяжеленный тампонажный раствор позволяет повысить качество крепления глубоких скважин и предотвратить газонефтепроявления, имеющие место при цементировании обсадных колонн в зонах аномально высоких пластовых давлений и высоких температур. Использование материалов - портландцемента тампонажного, железорудного концентрата, феррохромлигносульфоната и воды, применяемых при цементировании в других интервалах и для буровых растворов, позволяет снизить затраты на строительство скважины, т.к. отпадает необходимость в доставке специальных утяжеленных цементов.

Источники информации:
1. Каримов Н.Х. и др. Тампонажные смеси для скважин с аномальными пластовыми давлениями. - М.: Недра, 1977, с. 97.

2. Булатов А. И., Данюшевский В.С. Тампонажные материалы. - М.: Недра, 1987, с. 178.

Утяжеленный тампонажный раствор, используемый при цементировании обсадных колонн глубоких нефтяных и газовых скважин в интервале аномально высоких пластовых давлений и температур, содержит, мас.%: портландцемент тампонажный 59,13 - 29,52, железорудный концентрат 14,78 - 44 - 28, феррохромлигносульфонат 0,22 - 0,37, вода - остальное. 3 табл.

Утяжеленный тампонажный раствор, включающий портландцемент тампонажный, утяжеляющую добавку и воду, отличающийся тем, что он содержит в качестве утяжеляющей добавки железорудный концентрат из титанованадиевых магнетитовых руд и дополнительно феррохромлигносульфонат при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
Портландцемент тампонажный - 59,13 - 29,52
Железорудный концентрат - 14,78 - 44,28
Феррохромлигносульфонат - 0,22 - 0,37
Вода - Остальноел