СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ТАМПОНАЖНОГО РАСТВОРА Российский патент 2003 года по МПК E21B33/138 

Изобретение относится к способам приготовления тампонажных растворов (ТР), предназначенных для цементирования скважин в нефтяной и газовой промышленности.

Анализ существующего уровня техники показал следующее.

Известен способ приготовления ТР с водоцементным отношением (В/Ц) 0,35-0,45 путем растворения в воде суперпластификатора С-3 на основе натриевой соли продукта конденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида в количестве 0,3-1,5% от массы цемента с последующим смешиванием с тампонажным портландцементом (см. Зельцер П.Я., Матюшина Н.Н. Исследование цементных растворов с пластифицирующими добавками. Тр. СНИИГТиМС. Совершенствование технологии бурения нефтяных и газовых скважин в Восточной Сибири и Якутии. Новосибирск, 1985, с.59-62).

Недостатком известного способа является низкое качество крепления скважин за счет использования ТР при цементировании обсадных колонн с пониженными основными физико-механическими свойствами, при твердении которого формируется неоднородный по прочности цементный камень с повышенной проницаемостью, низкой адгезией к металлу. Обусловлено это следующим:
при В/Ц=0,35;0,40, растворенным в воде суперпластификатором С-3 в количестве 1,2 и 0,8% от массы цемента подвижность - растекаемость ТР после 3 минут (согласно ГОСТ 1581-78) перемешивания соответствует стандартному значению.

Перемешивание в течение 90 минут приводит к снижению растекаемости и соответствует стандартному значению только при В/Ц=0,40 и растворенным в воде суперпластификатором С-3 в количестве 0,8% от массы цемента, а также при В/Ц=0,35 и растворенным в воде суперпластификатором С-3 в количестве 1,6% от массы цемента.

Время цементирования скважины глубиной до 1000 м составляет 2-4 часа. Низкая растекаемость ТР приводит к его преждевременному загустеванию в обсадной колонне при продавливании в заколонное пространство и, как следствие, к недоподъему до требуемой отметки.

Снижение растекаемости ТР при длительном перемешивании обусловлено тем, что водный раствор суперпластификатора С-3 при смешивании с тампонажным портландцементом распределяется на всю поверхность дисперсной фазы ТР. При перемешивании тампонажный портландцемент диспергируется с образованием новых поверхностей раздела фаз, на смачивание которых требуется все большее количество воды и суперпластификатора С-3, который уже израсходован и количество которого недостаточно для пластификации ТР. Вследствие чего происходит снижение пластичности последнего. В скважинных условиях ТР находится в постоянном движении в течение всего времени цементирования, а продавливание раствора с низкой растекаемостью в заколонное пространство приводит к повышению давления продавки и к гидроразрыву пласта, недостаточно полно вытесняется буровой раствор в заколонное пространство, что увеличивает вероятность появления межпластовых перетоков флюидов, что существенно снижает качество крепления скважин.

Известен способ приготовления ТР, включающий растворение в воде затворения замедлителя и ускорителя сроков схватывания цементного теста и последующее затворение на ней цемента, перед растворением реагентов воду затворения делят на две части, в одной из них, составляющей 0,66-0,80 мас.ч. растворяют замедлитель сроков схватывания, а в другой - ускоритель сроков схватывания, причем затворение цемента производят на первом растворе с последующим смешиванием полученной суспензии с вторым раствором (см а.с. СССР 1460201 от 25.08.86 г. по кл. Е 21 В 33/138, опубл. БИ 7, 1989 г.).

Недостатком известного способа является низкое качество крепления скважин за счет использования ТР при цементировании обсадных колонн с недостаточно высокими основными физико-механическими свойствами, при твердении которого формируется непрочный цементный камень с повышенной проницаемостью, низкой адгезией к металлу. Обусловлено это следующим.

ТР, приготовленный по известному способу, имеет высокое В/Ц=0,45-0,50 и повышенное количество замедлителя схватывания и твердения цемента - нитрилотриметилфосфоновой кислоты (НТФ). Растворение НТФ в части воды и затворение на этом растворе портландцемента приводит к образованию вокруг частиц цемента пленки из труднорастворимой кальциевой соли НТФ, являющейся сильным замедлителем гидратации и твердения портландцемента. При введении в эту суспензию водного раствора натриевого жидкого стекла его ортокремниевая кислота очень быстро реагирует с ионами кальция жидкой фазы цементной суспензии с выпадением стекловидной массы в осадок. В растворе натриевого жидкого стекла остается водный раствор гидроксида натрия. Он не в состоянии разблокировать цементные зерна от замедлителя - кальциевой соли НТФ. Поэтому в первые дни гидратация цемента идет только частично и очень замедленно, особенно при нормальной температуре твердения t=22^oС. Сроки схватывания ТР (начало и конец) наступают через 61-64 и 69-76 часов. Вследствие чего ТР обладает ухудшенными тампонирующими свойствами. Повышенные сроки схватывания, которые значительно превышают расчетное время цементирования скважины, могут привести к прорыву газа из пласта на устье еще в период ожидания загустевания цемента. Низкая седиментационная устойчивость этого ТР приводит к повышенному водоотделению, что может послужить причиной каналообразования в цементном камне. Цементный камень через 1 сутки твердения при t=22^oС еще не образуется, а в дальнейшем из-за медленной гидратации и твердения образующийся камень будет иметь повышенную проницаемость и низкую прочность и адгезию к металлу.

Известен способ приготовления ТР с В/Ц=0,35-0,42 путем смешивания тампонажного портландцемента с золой-унос с содержанием двуокиси кремния не менее 30 мас.% в соотношении мас.ч. 1:0,33-1,94 соответственно до получения однородной сыпучей смеси с последующим затворением последней жидкостью, содержащей водный раствор пластификатора в количестве 0,04-0,07% от массы сыпучей смеси и/или регулятора сроков схватывания в количестве 4,17- 4,26% от массы сыпучей смеси (см. патент РФ 2136846 от 05.08.98 г. по кл. Е 21 В 33/138, опубл. БИ 25, 1999 г.). Количество используемых реагентов пересчитаны авторами.

Недостатком известного способа является низкое качество крепления скважин за счет использования ТР при цементировании обсадных колонн с недостаточно высокими основными физико-механическими свойствами, при твердении которого формируется непрочный цементный камень с повышенной проницаемостью, низкой адгезией к металлу. Обусловлено это следующим:
ТР, приготовленный по известному способу, имеет достаточно высокое значение В/Ц= 0,35-0,42, короткие сроки схватывания при повышенных температурах t=140^oС и длительные при t=20^oС.

Тампонажный портландцемент в процессе приготовления ТР играет роль щелочного активизатора для золы-унос при ее гидратации, которая происходит только при повышенных температурах. Зола-унос содержит в основном стекловидную фазу, поэтому она в ТР плохо удерживает гравитационную воду, что способствует повышению величины водоотделения. Кроме того, зола-унос имеет грубую дисперсность, из-за чего ухудшается пластичность ТР. В случае совместного использования пластификатора - НТФ и регулятора сроков схватывания происходит их химическое взаимодействие с образованием кальциевой соли НТФ, что снижает пластифицирующие свойства такой жидкости. Для получения ТР требуемой растекаемости необходим дополнительный расход жидкости затворения. При этом увеличивается проницаемость цементного камня, снижается адгезия к металлу, что не обеспечивает надежный контакт с обсадной колонной и стенками скважины. Такими же недостатками будет обладать и ТР в случае совместного использования в качестве жидкости затворения водного раствора суперпластификатора С-3 и хлорида кальция (см. таблицу 2). В результате их взаимодействия образуется кальциевая соль олигомера суперпластификатора С-3, который после затворения золоцементной сыпучей смеси теряет значительную часть своей пластифицирующей способности и приобретает свойства сильного замедлителя гидратации и твердения. Через 1 сутки твердения не происходит образование цементного камня, что свидетельствует о неработоспособности ТР, полученного по данному способу приготовления. В связи с вышесказанным не обеспечивается качественное крепление скважины.

В качестве прототипа взят способ приготовления ТР с В/Ц=0,38-0,45 путем растворения в воде суперпластификатора С-3 в количестве 0,30-0,50% от массы цемента и модифицирующего реагента - сульфацелл в количестве 0,40-0,60%, после чего полученный водный раствор смешивают с тампонажным портландцементом (см. патент РФ 2136843 от 28.04.97 г. по кл. Е 21 В 33/138, опубл. БИ 25, 1999 г.). Количество используемых реагентов пересчитано авторами.

Недостатком известного способа является низкое качество крепления скважин за счет использования ТР при цементировании обсадных колонн с недостаточно высокими основными физико-механическими свойствами, при твердении которого формируется непрочный цементный камень с повышенной проницаемостью, низкой адгезией к металлу. Обусловлено это следующим.

Совместное растворение в воде суперпластификатора С-3 и сульфацелла и дальнейшее смешивание с тампонажным портландцементом приводит к тому, что сульфацелл создает на твердых поверхностях труднопроницаемые оболочки, что затрудняет доступ суперпластификатора С-3 к зернам цемента, из-за чего последний используется не в полном объеме. Кроме этого, в ТР в первую очередь протекают химические реакции между суперпластификатором С-3 и тампонажным портландцементом, после чего на твердых поверхностях адсорбируется высокомолекулярный реагент сульфацелл. Суперпластификатор С-3 химически взаимодействует с катионами двух- и трехвалентных металлов портландцемента с замещением катиона Na⁺ олигомера С-3 на катион двух- или трехвалентного металла. За счет этого суперпластификатор С-3 быстро закрепляется на твердых поверхностях цемента, а его неполярная (гидрофобная) часть обращена в сторону жидкой фазы. Сульфацелл из жидкой фазы адсорбируется на этой поверхности и экранирует гидрофобную часть суперпластификатора С-3, снижая его пластифицирующий эффект. За счет этого замедляются гидратация и твердение портландцемента, увеличиваются сроки схватывания ТР. К тому же сульфацелл повышает вязкость жидкой фазы. Поэтому и вязкость ТР повышается, что требует дополнительного увеличения В/Ц. Таким образом снижается эффективность реагентов, замедляются сроки схватывания и, как следствие, снижаются прочность цементного камня и его адгезия к металлу и горной породе, что снижает качество крепления скважины (см. таблицу 3).

Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения, сводится к следующему:
повышается качество крепления скважин за счет использования ТР при цементировании обсадных колонн с улучшенными основными физико-механическими свойствами, при твердении которого формируется прочный цементный камень с низкой проницаемостью, повышенной адгезией к металлу.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе приготовления тампонажного раствора путем растворения в воде модифицирующего реагента и суперпластификатора С-3 на основе натриевой соли продукта конденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида с последующим смешиванием с тампонажным портландцементом готовят тампонажный раствор с водоцементным отношением 0,30-0,35, а в качестве модифицирующего реагента используют кубовые остатки моноэтаноламина - отход очистки технических газов моноэтаноламином при производстве аммиака (КОМЭА), которые в количестве 0,1-0,3% от массы цемента растворяют в 90-92% воды от общего ее количества и смешивают с тампонажным портландцементом с последующим перемешиванием образующейся суспензии в течение 10-15 минут, а суперпластификатор С-3 в количестве 0,7-1,5 % от массы цемента растворяют в оставшейся воде и смешивают с последней.

Для приготовления ТР используют:
кубовые остатки моноэтаноламина по ТУ 6-02-18-8-74 следующего состава: моноэтаноламин 40-55%, М-(2-оксиэтил)-этилендиамин 5-8%, оксозолидон-2 0,1-1%, 1-(2-оксиэтил)имидазолин-2 0,1-0,3%, неиндентифицированные органические вещества 16,7%, вода - остальное; суперпластификатор С-3 по ТУ 6-14-625-80, тампонажный портландцемент по ГОСТу 1581-96.

В результате смешивания тампонажного портландцемента с водным раствором КОМЭА параллельно идут физико-химические и химические процессы гидратации цемента: смачивание водой цементного порошка, насыщение жидкой фазы гидратом окиси кальция, растворение и гидратация клинкерных минералов портландцемента, химическое взаимодействие и адсорбция компонентов КОМЭА (моноэтаноламина, этилендиамина, оксозолидона и имидозолинов) с тампонажным портландцементом, образование сольватных оболочек и коллоидных структур. При этом за счет влияния компонентов КОМЭА идет быстрый рост рН ТР. Связано это с тем, что амины, входящие в состав КОМЭА, являются органическими основаниями и могут присоединять к своей молекуле протоны, отнимая их, например, у воды с образованием гидроксидов
RNH₂+HOH-->R|NH₃|⁺ОН^-
Быстрый рост рН благоприятно сказывается на процессе гидратации тампонажного портландцемента, ускоряются процессы растворения и гидратации клинкерных минералов и происходит пересыщение раствора продуктами гидратации, в первую очередь гидроаллюминатами и гидроалюмоферритами кальция, быстро идут процессы коллоидации ТР и связывание гравитационной воды, что способствует повышению его седиментационной устойчивости, тиксотропности и влияет на качество крепления скважин.

С другой стороны, КОМЭА, кроме моноэтаноламина, в значительном количестве содержит также сильные гидрофобизирующие компоненты (оксозолидон, имидозолин и др.), адсорбируясь на твердых поверхностях и продуктах гидратации ТР своей полярной частью, они неполярной (гидрофобной) частью обращены в сторону дисперсионной среды - жидкой фазы, что и создает пластифицирующий эффект и предотвращает преждевременное срастание кристаллов продуктов гидратации. Дополнительное перемешивание в течение 10-15 минут способствует более полному и равномерному по всему объему протеканию вышеперечисленных процессов гидратации и коллоидации тампонажного портландцемента и его диспергированию. Полученную суспензию тампонажного портландцемента с водным раствором КОМЭА смешивают с водным раствором суперпластификатора С-3. Последний в первую очередь увеличивает объем жидкой фазы, что приводит к повышению толщины жидкой прослойки между сольватными оболочками и к улучшению пластичности ТР. При этом суперпластификатор С-3 расходуется на взаимодействие только с частью твердой поверхности ТР, так как ее большая часть блокирована водой и растворенными в ней компонентами КОМЭА. В этом случае суперпластификатор С-3 взаимодействует в основном с продуктами гидратации ТР на границе раздела фаз. Происходит химическое взаимодействие олигомера суперпластификатора С-3 с катионами двух- и трехвалентных металлов путем замещения катиона Na⁺ олигомера С-3 на катионы Са²⁺, Fe²⁺, A1³⁺ и др. Благодаря этому полярная часть олигомера суперпластификатора С-3 обращена к твердой фазе, а неполярная (гидрофобная) - в сторону дисперсионной среды, что и обеспечивает ТР дополнительный пластифицирующий эффект.

Так как суперпластификатор С-3 закреплен не на всей твердой поверхности дисперсной фазы ТР, а лишь на ее части, то естественно увеличивается его количество на единицу площади поверхности. Вместе с гидрофобной частью КОМЭА это создает дополнительный пластифицирующий эффект ТР, который приготавливают по предлагаемому способу. Повышение пластичности ТР при сохранении требуемой консистенции (растекаемости 18-20 см) обеспечивает снижение В/Ц и увеличение его плотности.

При твердении ТР формируется прочный цементный камень с низкой проницаемостью, высокой адгезией к металлу. В скважинных условиях ТР находится в постоянном движении в течение всего времени цементирования. Благодаря предлагаемому способу приготовления, составу реагентов получают ТР с улучшенными физико-механическими свойствами, продавливание которого в заколонное пространство происходит без дополнительного сопротивления, полностью вытесняется буровой раствор, обеспечивается подъем ТР на весь интервал цементирования.

После окончания продавливания жидкость интенсивно расходуется на гидратацию цемента. Идет быстрое пересыщение растворов и ускоренная коагуляция. Этому в значительной степени способствует образование комплексных аминных гидроксидов из КОМЭА. Утончаются сольватные оболочки и двойной электрический слой коллоидных частиц на продуктах гидратации цемента. Начинается интенсивное срастание кристаллов. Этому также способствует и то, что на стадии пересыщения жидкой фазы ТР анионы анионного ПАВ - суперпластификатора С-3 нейтрализуются катионами катионного ПАВ - КОМЭА. Это обеспечивает более интенсивную коагуляцию ТР, повышение тиксотропии и ускорение срастания кристаллов продуктов гидратации тампонажного портландцемента.

Повышение скорости коагуляции (коэффициента тиксотропии) после окончания продавливания ТР в затрубное пространство требуется для того, чтобы предотвратить каналообразование в ТР в период ожидания его затвердевания. В этот период снижается "активное" давление ТР на продуктивный пласт и газ из пласта может прорываться через жидкое тампонажное кольцо наверх, образуя каналы для перетока флюидов. Поэтому ТР в этот период должен обладать достаточной пластической прочностью и иметь высокую скорость коагуляции для предотвращения прорыва газа из пласта через цементное кольцо на устье.

Приготовление ТР с В/Ц менее 0,30 не обеспечивает требуемой величины растекаемости.

Приготовление ТР с В/Ц более 0,35 нецелесообразно, т.к. происходит увеличение растекаемости больше требуемого значения, что приводит к значительному водоотделению ТР, расслоению и одновременно к увеличению сроков схватывания.

Содержание в ТР КОМЭА в количестве менее 0,1% от массы цемента приводит к снижению прочности цементного камня и адгезии к металлу.

Содержание в ТР КОМЭА в количестве более 0,3% от массы цемента приводит к существенному уменьшению сроков схватывания ТР, что не позволяет проводить работы по цементированию скважины в расчетные сроки.

Растворение КОМЭА в менее 90% воды от общего ее количества при дальнейшем смешивании с тампонажным портландцементом приводит к снижению растекаемости, не обеспечивается требуемая для перекачивания текучесть данной суспензии.

Растворение КОМЭА в более 92% воды от общего ее количества при дальнейшем смешивании с тампонажным портландцементом нецелесообразно, т.к. оставшаяся часть воды недостаточна для полного растворения в ней суперпластификатора С-3.

Перемешивание суспензии в течение 10 минут не обеспечивает равномерное по объему значение растекаемости и плотности, а в течение более 15 минут малоэффективно, т.к. не приводит к дальнейшему улучшению свойств.

Содержание в ТР суперпластификатора С-3 в количестве менее 0,7% от массы цемента не обеспечивает требуемой величины растекаемости ТР, что ухудшает его свойства.

Содержание в ТР суперпластификатора С-3 в количестве более 1,5% от массы цемента нецелесообразно, т.к. приводит к повышению растекаемости, увеличению водоотделения и расслоению ТР, что ухудшает качество крепления скважин.

Анализ изобретательского уровня показал следующее.

В бетонной смеси осуществляют смешение портландцемента и заполнителя, после чего вводят с водой КОМЭА с целью ускорения твердения (а.с. СССР 773002 от 24.01.79 г. по кл. С 04 В 13/24, опубл. БИ 39, 1980 г.); известен способ приготовления бетонной смеси путем смешения вяжущего и заполнителей с пластифицирующей добавкой, вводимой совместно с частью воды затворения, с ускорителем твердения, вводимым с оставшейся водой затворения, в котором сначала вводят ускоритель твердения с 70-75% воды затворения и перемешивают 1,5-2 мин, затем вводят пластифицирующую и воздухововлекающую добавки с оставшейся водой затворения и перемешивают 1-1,5 мин с целью повышения подвижности бетонной смеси, прочности бетона и уменьшения расхода компонентов добавки (см. а. с. СССР 833705 от 27.08.79 г. по кл. С 04 В 13/22, опубл. БИ 20, 1981 г.); используют КОМЭА в реагенте для обработки калиевых буровых растворов с целью улучшения структурно-механических свойств буровых растворов (а.с. СССР 1116044 от 16.07.82 г. по кл. С 09 К 7/02, БИ 36, 1984 г.); в полимерминеральной смеси используют суперпластификатор - продукт взаимодействия кубового остатка стадии получения бензойной кислоты окислением толуола в производстве капролактама - Х-масла с кубовым остатком очистки системы производства аммиака на основе моноэтаноламина и со стоком водным концентрированным - отходом производства капролактама из толуола на основе натриевых солей карбоновых кислот с целью повышения подвижности в соотношении по массе соответственно 50: 11,5: 61,5 (см. а.с. СССР 1728164 от 17.01.90 г. по кл. С 04 В 26/12, опубл. БИ 15, 1992 г.); полимербетонной смеси в качестве добавки суперпластификатора используют продукт взаимодействия 66,7 мас. % отхода производства капролактама из толуола на основе карбоновых кислот "X-масла" с 33,3 маc.% КОМЭА с целью повышения удобоукладываемости (а. с. СССР 1724624 от 05.03.90 г. по кл. С 04 В 26/12, опубл. БИ 13, 1992 г.); поверхностно-активная добавка к цементу, включающая лигносульфонаты и аминосодержащее вещество с целью регулирования гранулометрического состава цемента и повышения пластичности цементного раствора (см. а. с. СССР 631483 от 11.04.77 г. по кл. С 04 В 7/35, 13/24, опубл. БИ 41, 1978 г.). На основании вышеизложенного нами не выявлены технические решения, имеющие в своей основе признаки, полностью совпадающие с отличительными признаками заявляемого технического решения. Последнее не следует явным образом из проанализированного уровня техники, т.е. имеет изобретательский уровень.

Более подробно сущность заявляемого способа поясняется следующим примерами.

Пример 1
Для приготовления ТР с В/Ц=0,30 используют 1000 г тампонажного портландцемента и 300 мл воды.

Растворяют КОМЭА в количестве 1,0 г (что составляет 0,1% от массы цемента) в 270 мл воды (что составляет 90% от общего количества воды). Полученный раствор смешивают с 1000 г тампонажного портландцемента. Далее образовавшуюся суспензию перемешивают в течение 10 минут. В оставшихся 30 мл воды растворяют суперпластификатор С-3 в количестве 7,0 г (что составляет 0,7% от массы цемента). После чего данный раствор смешивают с ранее приготовленной суспензией до получения однородного ТР. Определяют растекаемость, плотность, сроки схватывания, водоотдачу ТР по ГОСТу 26 798.1-96. Определяют пластическую вязкость, статическое напряжение сдвига (СНС) через 1 и через 10 мин, коэффициент тиксотропии. Оставшуюся часть раствора заливают в стандартные формы и оставляют в термостате на 24 часа для отверждения. Затвердевшие образцы испытывают на прочность, адгезию, газопроницаемость.

ТР и цементный камень имеют следующие свойства:
растекаемость - 18,0 см, плотность - 2115 кг/м³, начало схватывания - 1 ч 45 мин, конец схватывания - 3 ч 05 мин, водоотдача - 28,2 см³/30 мин, пластическая вязкость - 115 мПа•с, СНС через 1 мин - 112 дПа, через 10 мин - 255 дПа, коэффициент тиксотропии - 2,28, водоотделение отсутствует, прочность цементного камня при изгибе - 8,5 МПа, адгезия к металлу - 2,72 МПа, коэффициент газопроницаемости - 0,324•10^-3 мкм². Промысловый пример.

Скважина 32 Курьинского месторождения, республика КОМИ, поисковая, вертикальная.

Исходные данные:
Эксплуатационная колонна - 168 мм
Глубина спуска эксплуатационной колонны - 1450 м
Пластовое давление - 27,3 МПа
Температура на забое - 32^oС
Согласно методическим указаниям по выбору тампонажных материалов и растворов (см. РД 39-00147001-767-2000, Инструкция по креплению нефтяных и газовых скважин, М. , Недра, 2000, с. 137-141) требуемый объем ТР с учетом кавернозности скважины составляет
V_тр=18 м³.

Требуемую плотность ТР ρ_тр определяют по формуле

где ρ_тр - плотность ТР, кг/м³;
Р_пл - пластовое давление, МПа;
g - ускорение свободного падения, м/с²;
Н - глубина спуска эксплуатационной колонны, м,

Определяют выход ТР, получаемого из 1000 кг тампонажного портландцемента

где В/Ц - водоцементное отношение ТР, 0,35,

На 1 м³ ТР количество тампонажного портландцемента G_тпц составляет
G_ТПЦ=1/0,67=1,49 т,
для приготовления 18 м³ ТР количество тампонажного портландцемента
G_1ТПЦ=k•G_ТПЦ•V_тр,
где k - коэффициент запаса, учитывающий потери цемента на отсев при загрузке и распыление при загрузке и затворении, 1,05,
G_1ТПЦ=1,05•1,49•18=28,16 т,
объем воды

Для приготовления ТР с ρ_тр=2015 кг/м³, значением В/Ц=0,35 используют:
суперпластификатор С-3 в количестве 0,7% от массы цемента, расход которого составляет
Q_С-3=0,7•28,16/100=0,197 т,
КОМЭА в количестве 0,1% от массы цемента, расход которых составляет
Q_КОМЭА=0,1•28,16/100=0,028 т.

Растворяют 0,028 т КОМЭА (0,1% от массы цемента) в 8,87 м³ воды (90% от общего количества воды) и смешивают с 28,16 т тампонажного портландцемента. Для этого используют цементировочный агрегат ЦА-320М и цементосмесительную машину СМ-20. Полученную суспензию откачивают в осреднительную емкость объемом 20 м³, где дополнительно перемешивают в течение 15 минут.

Растворяют 0,197 т суперпластификатора С-3 (0,7% от массы цемента) в оставшейся воде - 0,98 м³ и этот раствор вводят в осреднительную емкость, где далее перемешивают с находящейся там суспензией. Растекаемость ТР составляет 19 см.

Закачивают ТР в скважину, продавливают в заколонное пространство и оставляют скважину на 24 часа.

Геофизическими исследованиями установлены: герметичность обсадной колонны, подъем раствора на весь интервал цементирования, хорошее качество цементирования.

Пример 2
Для приготовления ТР с В/Ц=0,30 используют 1000 г тампонажного портландцемента и 300 мл воды.

Растворяют КОМЭА в количестве 2,0 г (что составляет 0,2% от массы цемента) в 270 мл воды (что составляет 90% от общего количества воды). Полученный раствор смешивают с 1000 г тампонажного портландцемента. Далее образовавшуюся суспензию перемешивают в течение 12 минут. В оставшихся 30 мл воды растворяют суперпластификатор С-3 в количестве 11,0 г (что составляет 1,1% от массы цемента). После чего данный раствор смешивают с ранее приготовленной суспензией до получения однородного ТР. Затем проводят все операции, как указано в примере 1.

ТР и цементный камень имеют следующие свойства:
растекаемость - 20,5 см, плотность - 2115 кг/м³, начало схватывания - 1 ч 57 мин, конец схватывания - 2 ч 55 мин, водоотдача - 20,0 см³/30 мин, пластическая вязкость - 117 мПа•с, СНС через 1 мин - 86 дПа, через 10 мин - 236 дПа, коэффициент тиксотропии - 2,74, водоотделение отсутствует, прочность цементного камня при изгибе - 8,7 МПа, адгезия к металлу - 2,78 МПа, коэффициент газопроницаемости - 0,256•10^-3 мкм².

Пример 3
Для приготовления ТР с В/Ц=0,30 используют 1000 г тампонажного портландцемента и 300 мл воды.

Растворяют КОМЭА в количестве 3,0 г (что составляет 0,3% от массы цемента) в 273 мл воды (что составляет 91% от общего количества воды). Полученный раствор смешивают с 1000 г тампонажного портландцемента. Далее образовавшуюся суспензию перемешивают в течение 15 минут. В оставшихся 27 мл воды растворяют суперпластификатор С-3 в количестве 7,0 г (что составляет 0,7% от массы цемента). После чего данный раствор смешивают с ранее приготовленной суспензией до получения однородного ТР. Затем проводят все операции, как указано в примере 1.

ТР и цементный камень имеют следующие свойства:
растекаемость - 19,0 см, плотность - 2115 кг/м³, начало схватывания - 1 ч 30 мин, конец схватывания - 1 ч 50 мин, водоотдача - 24,8 см³/30 мин, пластическая вязкость - 127 мПа•с, СНС через 1 мин - 125 дПа, через 10 мин - 363 дПа, коэффициент тиксотропии - 2,90, водоотделение отсутствует, прочность цементного камня при изгибе - 9,2 МПа, адгезия к металлу - 2,96 МПа, коэффициент газопроницаемости - 0,196•10^-3мкм².

Пример 4
Для приготовления ТР с В/Ц=0,30 используют 1000 г тампонажного портландцемента и 270 мл воды.

Растворяют КОМЭА в количестве 3,0 г (что составляет 0,3% от массы цемента) в 276 мл воды (что составляет 92% от общего количества воды). Полученный раствор смешивают с 1000 г тампонажного портландцемента. Далее образовавшуюся суспензию перемешивают в течение 15 минут. В оставшихся 24 мл воды растворяют суперпластификатор С-3 в количестве 15,0 г (что составляет 1,5% от массы цемента). После чего данный раствор смешивают с ранее приготовленной суспензией до получения однородного ТР. Затем проводят все операции, как указано в примере 1.

ТР и цементный камень имеют следующие свойства:
растекаемость - 21,5 см, плотность - 2115 кг/м³, начало схватывания - 2 ч 10 мин, конец схватывания - 2 ч 40 мин, водоотдача - 11,8 см³/30 мин, пластическая вязкость - 118 мПа•с, СНС через 1 мин - 148 дПа, через 10 мин - 474 дПа, коэффициент тиксотропии - 3,20, водоотделение отсутствует, прочность цементного камня при изгибе - 8,8 МПа, адгезия к металлу - 2,83 МПа, коэффициент газопроницаемости - 0,188•10^-3мкм².

Пример 5
Для приготовления ТР с В/Ц=0,32 используют 1000 г тампонажного портландцемента и 320 мл воды.

Растворяют КОМЭА в количестве 1,0 г (что составляет 0,1% от массы цемента) в 288 мл воды (что составляет 90% от общего количества воды). Полученный раствор смешивают с 1000 г тампонажного портландцемента. Далее образовавшуюся суспензию перемешивают в течение 10 минут. В оставшихся 32 мл воды растворяют суперпластификатор С-3 в количестве 7,0 г (что составляет 0,7% от массы цемента). После чего данный раствор смешивают с ранее приготовленной суспензией до получения однородного ТР. Затем проводят все операции, как указано в примере 1.

ТР и цементный камень имеют следующие свойства:
растекаемость - 18,0 см, плотность - 2080 кг/м³, начало схватывания - 1 ч 55 мин, конец схватывания - 2 ч 55 мин, водоотдача - 32,5 см³/30 мин, пластическая вязкость - 112 мПа•с, СНС через 1 мин - 94 дПа, через 10 мин - 212 дПа, коэффициент тиксотропии - 2,25, водоотделение отсутствует, прочность цементного камня при изгибе - 8,3 МПа, адгезия к металлу - 2,48 МПа, коэффициент газопроницаемости - 0,368•10^-3мкм².

Пример 6
Для приготовления ТР с В/Ц=0,32 используют 1000 г тампонажного портландцемента и 320 мл воды.

Растворяют КОМЭА в количестве 2,0 г (что составляет 0,2% от массы цемента) в 288 мл воды (что составляет 90% от общего количества воды). Полученный раствор смешивают с 1000 г тампонажного портландцемента. Далее образовавшуюся суспензию перемешивают в течение 12 минут. В оставшихся 32 мл воды растворяют суперпластификатор С-3 в количестве 11,0 г (что составляет 1,1% от массы цемента). После чего данный раствор смешивают с ранее приготовленной суспензией до получения однородного ТР. Затем проводят все операции, как указано в примере 1.

ТР и цементный камень имеют следующие свойства:
растекаемость - 18,5 см, плотность - 2080 кг/м³, начало схватывания - 2 ч 10 мин, конец схватывания - 3 ч 00 мин, водоотдача - 23,4 см³/30 мин, пластическая вязкость - 114 мПа•с, СНС через 1 мин - 84 дПа, через 10 мин - 220 дПа, коэффициент тиксотропии - 2,62, водоотделение отсутствует, прочность цементного камня при изгибе - 8,4 МПа, адгезия к металлу - 2,46 МПа, коэффициент газопроницаемости - 0,320•10^-3 мкм².

Пример 7
Для приготовления ТР с В/Ц=0,32 используют 1000 г тампонажного портландцемента и 320 мл воды.

Растворяют КОМЭА в количестве 3,0 г (что составляет 0,3% от массы цемента) в 291,2 мл воды (что составляет 91% от общего количества воды). Полученный раствор смешивают с 1000 г тампонажного портландцемента. Далее образовавшуюся суспензию перемешивают в течение 15 минут. В оставшихся 28,8 мл воды растворяют суперпластификатор С-3 в количестве 7,0 г (что составляет 0,7% от массы цемента). После чего данный раствор смешивают с ранее приготовленной суспензией до получения однородного ТР. Затем проводят все операции, как указано в примере 1.

ТР и цементный камень имеют следующие свойства:
растекаемость - 19,0 см, плотность - 2080 кг/м³, начало схватывания - 1 ч 40 мин, конец схватывания - 2 ч 20 мин, водоотдача - 26,5 см³/30 мин, пластическая вязкость - 123 мПа•с, СНС через 1 мин - 103 дПа, через 10 мин - 288 дПа, коэффициент тиксотропии - 2,80, водоотделение отсутствует, прочность цементного камня при изгибе - 8,7 МПа, адгезия к металлу - 2,87 МПа, коэффициент газопроницаемости - 0,286•10^-3 мкм².

Пример 8
Для приготовления ТР с В/Ц=0,32 используют 1000 г тампонажного портландцемента и 320 мл воды.

Растворяют КОМЭА в количестве 3,0 г (что составляет 0,3% от массы цемента) в 294,4 мл воды (что составляет 92% от общего количества воды). Полученный раствор смешивают с 1000 г тампонажного портландцемента. Далее образовавшуюся суспензию перемешивают в течение 15 минут. В оставшихся 25,6 мл воды растворяют суперпластификатор С-3 в количестве 15,0 г (что составляет 1,5% от массы цемента). После чего данный раствор смешивают с ранее приготовленной суспензией до получения однородного ТР. Затем проводят все операции, как указано в примере 1.

ТР и цементный камень имеют следующие свойства:
растекаемость - 20,0 см, плотность - 2080 кг/м³, начало схватывания - 2 ч 15 мин, конец схватывания - 2 ч 50 мин, водоотдача - 14,4 см³/30 мин, пластическая вязкость - 118 мПа•с, СНС через 1 мин - 132 дПа, через 10 мин - 396 дПа, коэффициент тиксотропии - 3,00, водоотделение отсутствует, прочность цементного камня при изгибе - 8,4 МПа, адгезия к металлу - 2,45 МПа, коэффициент газопроницаемости - 0,274•10^-3 мкм².

Пример 9
Для приготовления ТР с В/Ц=0,35 используют 1000 г тампонажного портландцемента и 350 мл воды.

Растворяют КОМЭА в количестве 1,0 г (что составляет 0,1% от массы цемента) в 315 мл воды (что составляет 90% от общего количества воды). Полученный раствор смешивают с 1000 г тампонажного портландцемента. Далее образовавшуюся суспензию перемешивают в течение 10 минут. В оставшихся 35 мл воды растворяют суперпластификатор С-3 в количестве 7,0 г (что составляет 0,7% от массы цемента). После чего данный раствор смешивают с ранее приготовленной суспензией до получения однородного ТР. Затем проводят все операции, как указано в примере 1.

ТР и цементный камень имеют следующие свойства:
растекаемость - 19,0 см, плотность - 2015 кг/м³, начало схватывания - 2 ч 10 мин, конец схватывания - 3 ч 10 мин, водоотдача - 36,7 см³/30 мин, пластическая вязкость - 108 мПа•с, СНС через 1 мин - 75 дПа, через 10 мин - 165 дПа, коэффициент тиксотропии - 2,20, водоотделение отсутствует, прочность цементного камня при изгибе - 8,1 МПа, адгезия к металлу - 2,24 МПа, коэффициент газопроницаемости - 0,410•10^-3 мкм².

Пример 10
Для приготовления ТР с В/Ц=0,35 используют 1000 г тампонажного портландцемента и 350 мл воды.

Растворяют КОМЭА в количестве 2,0 г (что составляет 0,2% от массы цемента) в 318,5 мл воды (что составляет 91% от общего количества воды). Полученный раствор смешивают с 1000 г тампонажного портландцемента. Далее образовавшуюся суспензию перемешивают в течение 12 минут. В оставшихся 31,5 мл воды растворяют суперпластификатор С-3 в количестве 11,0 г (что составляет 1,1% от массы цемента). После чего данный раствор смешивают с ранее приготовленной суспензией до получения однородного ТР. Затем проводят все операции, как указано в примере 1.

ТР и цементный камень имеют следующие свойства:
растекаемость - 20,0 см, плотность - 2015 кг/м³, начало схватывания - 2 ч 15 мин, конец схватывания - 3 ч 05 мин, водоотдача - 26,8 см³/30 мин, пластическая вязкость - 112 мПа•с, СНС через 1 мин - 81 дПа, через 10 мин - 203 дПа, коэффициент тиксотропии - 2,50, водоотделение отсутствует, прочность цементного камня при изгибе - 7,9 МПа, адгезия к металлу - 2,15 МПа, коэффициент газопроницаемости - 0,380•10^-3 мкм².

Пример 11
Для приготовления ТР с В/Ц=0,35 используют 1000 г тампонажного портландцемента и 350 мл воды.

Растворяют КОМЭА в количестве 3,0 г (что составляет 0,3% от массы цемента) в 322 мл воды (что составляет 92% от общего количества воды). Полученный раствор смешивают с 1000 г тампонажного портландцемента. Далее образовавшуюся суспензию перемешивают в течение 15 минут. В оставшихся 28 мл воды растворяют суперпластификатор С-3 в количестве 7,0 г (что составляет 0,7% от массы цемента). После чего данный раствор смешивают с ранее приготовленной суспензией до получения однородного ТР. Затем проводят все операции, как указано в примере 1.

ТР и цементный камень имеют следующие свойства:
растекаемость - 21,0 см, плотность - 2015 кг/м³, начало схватывания - 1 ч 55 мин, конец схватывания - 2 ч 45 мин, водоотдача - 28,0 см³/30 мин, пластическая вязкость - 119 мПа•с, СНС через 1 мин - 81 дПа, через 10 мин - 219 дПа, коэффициент тиксотропии - 2,70, водоотделение отсутствует, прочность цементного камня при изгибе - 8,2 МПа, адгезия к металлу - 2,29 МПа, коэффициент газопроницаемости - 0,375•10^-3 мкм².

Пример 12
Для приготовления ТР с В/Ц=0,35 используют 1000 г тампонажного портландцемента и 350 мл воды.

Растворяют КОМЭА в количестве 3,0 г (что составляет 0,3% от массы цемента) в 322 мл воды (что составляет 92% от общего количества воды). Полученный раствор смешивают с 1000 г тампонажного портландцемента. Далее образовавшуюся суспензию перемешивают в течение 15 минут. В оставшихся 28 мл воды растворяют суперпластификатор С-3 в количестве 15,0 г (что составляет 1,5% от массы цемента). После чего данный раствор смешивают с ранее приготовленной суспензией до получения однородного ТР. Затем проводят все операции, как указано в примере 1.

ТР и цементный камень имеют следующие свойства:
растекаемость - 22,0 см, плотность - 2015 кг/м³, начало схватывания - 2 ч 25 мин, конец схватывания - 3 ч 00 мин, водоотдача - 16,9 см³/30 мин, пластическая вязкость - 117 мПа•с, СНС через 1 мин - 115 дПа, через 10 мин -327 дПа, коэффициент тиксотропии - 2,80, водоотделение отсутствует, прочность цементного камня при изгибе - 8,0 МПа, адгезия к металлу - 2,06 МПа, коэффициент газопроницаемости - 0,360•10^-3 мкм².

По сравнению с источниками известности, указанными в разделе "Уровень техники", заявляемый способ приготовления тампонажного раствора патентоспособен, т. к. соответствует условиям новизны, изобретательского уровня и промышленной применимости.

Примечание.

Испытания тампонажного раствора и цементного камня проводили по ГОСТ 26 798.1-96 "Цементы тампонажные. Методы испытаний".

Сроки схватывания тампонажного раствора и прочность цементного камня при изгибе определяли при температуре 75^оС, давление 0,1 МПа. Сроки схватывания определяли на приборе Вика, прочность - на МИИ-100.

Адгезию цементного камня к металлу определяли методом выдавливания цементного образца высотой и диаметром 40 мм из стальной обоймы.

Газопроницаемость цементного камня определяли на установке ГК-5.

Растекаемость тампонажного раствора определяли по конусу АзНИИ.

Водоотдачу тампонажного раствора определяли на приборе ВМ-6 при перепаде давления 0,1 МПа и температуре 22^оС.

Пластическая вязкость и статическое напряжение сдвига определяли на ротационном вискозиметре "Fann" фирмы Бароид.

В тампонажных растворах, приготовленных по заявленному способу, таблица 1 п/п 1-12, 14-21, водоотделение отсутствует, в п/п 13, 22 - водоотделение 2 - 3 см³.

Водоотделение тампонажных растворов, приготовленных по способу-прототипу, соответственно в п/п 1 - 1,55 см³, п/п 2 - 0,48 см³, п/п 3 - 0,50 см³.

Сроки схватывания тампонажного раствора-аналога определяли при температуре 20^оС.

* Растекаемость суспензии после дополнительного перемешивания составила 15 см.

** Растекаемость суспензии после дополнительного перемешивания составила 18 см.

*** Растекаемость суспензии после дополнительного перемешивания составила 16 см.

**** При растворении суперпластификатора С-3 в оставшейся воде наблюдалось его неполное растворение - осадок до 2 % по массе.

Изобретение относится к способам приготовления тампонажных растворов ТР, предназначенных для цементирования скважин в нефтяной и газовой промышленности. Техническим результатом является повышение качества крепления скважин за счет использования ТР при цементировании обсадных колонн с улучшенными основными физико-механическими свойствами, при твердении которого формируется прочный цементный камень с низкой проницаемостью, повышенной адгезией к металлу. В способе приготовления тампонажного раствора путем растворения в воде модифицирующего реагента и суперпластификатора С-3 на основе натриевой соли продукта конденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида с последующим смешиванием с тампонажным портландцементом готовят тампонажный раствор с водоцементным отношением 0,30 - 0,35, а в качестве модифицирующего реагента используют кубовые остатки моноэтаноламина - отход очистки технических газов моноэтаноламином при производстве аммиака, которые в количестве 0,1 - 0,3% от массы цемента растворяют в 90 - 92% воды от общего ее количества и смешивают с тампонажным портландцементом с последующим перемешиванием образующейся суспензии в течение 10 - 15 мин, а суперпластификатор С-3 в количестве 0,7 - 1,5% от массы цемента растворяют в оставшейся воде и смешивают с последней. 3 табл.

Способ приготовления тампонажного раствора путем растворения в воде модифицирующего реагента и суперпластификатора С-3 на основе натриевой соли продукта конденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида с последующим смешиванием с тампонажным портландцементом, отличающийся тем, что готовят тампонажный раствор с водоцементным отношением 0,30-0,35, а в качестве модифицирующего реагента используют кубовые остатки моноэтаноламина - отход очистки технических газов моноэтаноламином при производстве аммиака, которые в количестве 0,1-0,3% от массы цемента растворяют в 90-92% воды от общего ее количества и смешивают с тампонажным портландцементом с последующим перемешиванием образующейся суспензии в течение 10-15 мин, а суперпластификатор С-3 в количестве 0,7-1,5% от массы цемента растворяют в оставшейся воде и смешивают с последней.