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

Изобретение относится к строительству нефтяных и газовых скважин, в частности к способам получения облегченных тампонажных растворов, предназначенных для крепления обсадных колонн в условиях нормальных и аномально низких пластовых давлений.

Известен способ приготовления облегченного тампонажного раствора, согласно которому готовят жидкость затворения путем растворения в воде дистеллерной жидкости - отхода производства кальцинированной соды, готовят смесь цемента с микросферами в массовом соотношении (75-90) : (10-25), которую затем затворяют на ранее приготовленной жидкости затворения (см. Патент РФ 2136845, кл. Е 21 В 33/138, опубл. 10.09.99, бюл. 25). Водотвердое отношение полученного этим способом тампонажного раствора составляет 0,46.

Тампонажный раствор, полученный указанным известным способом, имеет плотность 1470-1510 кг/м³, прочность на изгиб цементного камня через 2 суток твердения 2,2-2,8 МПа.

Однако он характеризуется недостаточной растекаемостью (до 174-180 мм), что осложняет в последующем технологию его закачки в скважину, т.к. наблюдается рост давления при закачке. Кроме того, приготовленный этим способом тампонажный состав характеризуется высокой фильтрацией, которая может привести к раннему схватыванию цементного раствора и возникновению аварийных ситуаций.

Также известен способ приготовления облегченного тампонажного раствора для крепления обсадных колонн в условиях аномально низких пластовых давлений, согласно которому производится предварительное приготовление суспензии, включающей водный раствор сульфацелла, хлорида кальция и суперпластификатора С-3. Затем в этот раствор добавляют микросферы стеклянные и на полученной суспензии затворяют тампонажный цемент. При этом все ингредиенты берут в следующем соотношении, мас.ч.: портландцемент - 100; Сульфацелл - 0,3-0,5; CaCl₂ - 2,0-5,0, суперпластификатор С-3 - 0,3-0,4; микросферы стеклянные АС-9 - 5,0-7,0 и вода - 54-68 (Патент РФ 2172812, кл. Е 21 В 33/138, опубл. 27.08.2001, Бюл. 24).

Однако приготовление тампонажного раствора известным способом в промысловых условиях вызывает трудности при затворении цемента, связанные с загущением цементного раствора в момент смешения цемента и заранее заготовленной суспензии указанного состава и невозможности его последующего откачивания ввиду низкой растекаемости.

Кроме того, при многих положительных качествах приготовленного указанным известным способом тампонажного раствора в сравнении с вышеуказанными тампонажными растворами, полученными другими способами, он имеет ряд недостатков, а именно
- использование в качестве понизителя фильтрации водорастворимой гидроксиэтилцеллюлозы марки Сульфацелл не очень надежно, т.к. в настоящее время качество этого реагента, производимого в России, не может гарантировать его стабильных свойств, что, в конечном итоге, сказывается и на показателях тампонажного раствора;
- использование в тампонажном растворе облегченной добавки - стеклянных микросфер МС-А9 в малых количествах не может эффективно снижать его плотность, а при повышенном их содержании при твердении в условиях нормальных температур приводит к снижению прочности цементного камня на изгиб до 1,0 МПа;
- снижение плотности тампонажного раствора до 1500 кг/м³ происходит в основном за счет повышенного водосодержания (водотвердое отношение приготовленного известным способом тампонажного раствора составляет В/Т=0,6), что разжижает раствор и способствует снижению прочности образующегося цементного камня;
- пониженная (до 90-95 см³) фильтрация этого тампонажного раствора, замеренная на приборе ВМ-6 с ΔР=0,1 МПа, при существующих повышенных давлениях в процессе цементирования (вследствие низкой растекаемости и недостаточной степени облегченности приготовленного тампонажного раствора) приведет к отфильтровыванию свободной (несвязанной) воды в процессе твердения и к усадке цементного камня с образованием каналов для перетока пластовых флюидов, а также приведет к пониженной прочности формирующегося цементного камня.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению по совокупности признаков является способ приготовления облегченного тампонажного раствора, согласно которому производят смешение тампонажного портландцемента с алюмосиликатными микросферами с последующим введением в полученную сухую смесь жидкости затворения, содержащей ускоритель сроков схватывания - хлористый кальций и воду, и перемешиванием (Патент РФ 2151271, кл. Е 21 В 33/138, опубл. 20.06.2000, бюл. 17).

Достигаемый известным способом результат состоит в том, что при расчетной плотности приготовленного тампонажного раствора 1400 кг/м³ и растекаемости 240 мм полученный цементный камень обладает высокой прочностью на изгиб при 2-х суточном хранении (2,1 МПа), а расширение цементного камня через 2-е суток составляет 0,22%, что позволяет повысить качество крепления и предотвратить газонефтепроявления за счет эффекта расширения и прочности цементного камня.

Недостатком тампонажного раствора, приготовленного указанным известным способом, является его многокомпонентность.

Кроме того, при существующих в настоящее время условиях цементирования невозможно обеспечить расчетные значения концентрации вводимых при осуществлении известного способа реагентов в сухую смесь, это, в частности, относится к вводу карбоалюминатной добавки и гипсу.

В конечном итоге, неравномерное распределение реагентов в бункерах цементосмесительных машин может привести к потере подвижности цементного раствора при их увеличении (более 2,67 мас.%), а при уменьшении ниже расчетных значений - к снижению расширения цементного камня.

Кроме того, полученный известным способом тампонажный раствор характеризуется высокими показателями водоотдачи при ΔР=0,7 МПа. Вследствие этого происходит отфильтровывание большого количества воды из расположенного в скважине тампонажного раствора, особенно в разрезе высокопроницаемых пород, что приводит к недоподъему цемента на проектную высоту и усадочным деформациям образующегося цементного камня (образованию в нем трещин и каналов).

Техническая задача, решаемая предлагаемым способом, заключается в придании приготовленному по этому способу тампонажному раствору повышенной седиментационной устойчивости, хорошей прокачиваемости, низкой фильтратоотдачи, регулируемых сроков схватывания и времени загустевания, высокой прочности цементному камню с улучшенными адгезионными свойствами и низкой проницаемостью.

Эта задача решается предлагаемым способом приготовления облегченного тампонажного раствора путем смешения тампонажного портландцемента с алюмосиликатными микросферами с последующим введением в полученную сухую смесь жидкости затворения, содержащей ускоритель сроков схватывания и воду, и перемешивание, при этом смешение тампонажного портландцемента и указанных микросфер осуществляют в массовом соотношении 80 : 90 - 10 : 20, а жидкость затворения дополнительно содержит оксиэтилцеллюлозу или гидрооксиэтилцеллюлозу и лигносульфонаты или реагент на основе меламина при следующем соотношении их к массе указанной сухой смеси, мас.ч.:
Ускоритель сроков схватывания - 0,2-3,0
Оксиэтилцеллюлоза или гидрооксиэтилцеллюлоза - 0,3-0,5
Лигносульфонаты или реагент на основе меламина - 0,1-0,4
Вода - 44-50
a после введения жидкости затворения осуществляют перемешивание в течение 0,5 часа.

Решение поставленной технической задачи обеспечивается, по-видимому, благодаря следующему.

Снижение удельного веса приготовленного предлагаемым способом тампонажного раствора, достигаемое при вводе облегчающей добавки - алюмосиликатных микросфер в заявленной последовательности их ввода, не требует повышения водотвердого отношения, что положительно влияет на свойства тампонажного раствора и формирующийся цементный камень.

Наличие силикатной и алюминатной фаз в составе вводимой добавки-микросферы способствует ее участию в формировании структуры цементного камня. К особым свойствам микросфер можно отнести: высокую текучесть, инертность по отношению ко многим видам добавок в тампонажные растворы.

Используемые в предлагаемом способе для приготовления жидкости затворения понизители фильтрации - гидроксиэтил- и оксиэтилцеллюлоза, и пластификатор - реагент на основе меламина или лигносульфонат в оптимальных указанных количествах эффективно снижают фильтратоотдачу и водоотделение приготовленных тампонажных растворов, обеспечивая их стабильные технологические показатели.

Время твердения полученного тампонажного раствора регулируется с помощью предлагаемых ускорителей, а его свойства сохраняются в течение времени, необходимого для его закачивания и размещения в скважине.

Благодаря тому что после затворения осуществляют перемешивание тампонажного раствора в течение не менее 0,5 часа, обеспечивается значительное сокращение периода начальной гидратации, что приводит к возможности исключения усадочных деформаций при твердении тампонажного раствора в скважине.

Все вышеперечисленное в конечном итоге приведет к обеспечению подъема тампонажного раствора, приготовленного предлагаемым способом, до проектной высоты, обеспечению плотного контакта цементного камня с горной породой и колонной и повышению надежности разобщения пластов этим раствором.

Для приготовления облегченного тампонажного раствора предлагаемым способом в лабораторных условиях были использованы следующие вещества и оборудование.

Вещества:
- Тампонажный портландцемент по ГОСТ 1581-96 Сухоложского цементного завода следующих марок: ПЦТ П-50; ПЦТ 1-100; ГЩТ 1G-CC-1.

- Микросферы алюмосиликатные (КМ) ООО "Уралайт" ТУ 21-22-37-94.

- Понизитель фильтрации - полимер на основе эфира целлюлозы: ЭКСЦЕЛ марок А и В (ТУ 2231-016-53501222-2001).

- Пластификатор: лигносульфонаты ЛСТ (ТУ 13-0281036-05-89) или ЭКСЦЕМ СМФ (ТУ 2223-019-53501222-2001).

- Ускоритель сроков схватывания: хлорид кальция (ТУ 48-10-59-79) или реагент на основе алюминия ЭКСЦЕБМ СА(ТУ2123-020-535011222-2001).

- Вода техническая с жесткостью 5 мг-экв/л (ГОСТ 2874-82).

Оборудование:
- конус АзНИИ;
- консистометр КЦ-5;
- прибор ВИКА;
- разрывная машина МИИ-100;
- фильтр-пресс "Baroid";
- установка для определения проницаемости цементного камня - УИПК-1;
- модифицированный прибор для определения набухания грунтов - ПНГ-5.

Пример. 400 г тампонажного портландцемента марки ПЦТ П-50 и 100 г алюмосиликатных микросфер производства ООО "Уралайт". В отдельном стакане готовили жидкость затворения путем растворения в 250 мл воды 10 г хлорида кальция, 1,5 г оксиэтилцеллюлозы ЭКСЦЕЛ марки А и 0,5 г лигносульфонатов. Далее на полученной жидкости затворения производили затворение 500 г предварительно подготовленной сухой смеси цемента с микросферами путем постепенного ввода при постоянном перемешивании на лабораторной мешалке. При этом перемешивание затворенного тампонажного раствора осуществляли непрерывно в течение 0,5 часа со скоростью 100-120 об/мин. В результате получили тампонажный раствор, приготовленный заявляемым способом и содержащий следующие ингредиенты, мас. ч. : смесь портландцемента и микросфер - 100; оксиэтилцеллюлоза ЭКСЦЕЛ А - 0,3; CaCl₂ - 2,0, ACT - 0,1 и вода - 50, при соотношении цемента и микросфер 80:20 соответственно.

Таким же образом осуществляли предлагаемый способ для приготовления тампонажных растворов с другими компонентными составами.

В процессе лабораторных исследований согласно ГОСТ 26798.1-2-96 устанавливали свойства тампонажных растворов, приготовленных предлагаемым и известным по прототипу способами: плотность, растекаемость, время загустевания до 30 УЕК; фильтратоотдачу при ΔР=0,7 МПа за 30 мин; сроки схватывания, водоотделение; предел прочности на изгиб при 2-х суточном хранении в пресной воде; усадку образующегося цементного камня.

Данные об ингредиентном содержании исследуемых тампонажных растворов, приготовленных предлагаемым и известным способами, приведены в таблице 1.

Данные о свойствах этих тампонажных растворов, полученные в ходе исследований, приведены в таблице 2.

Данные, приведенные в таблице 2, показывают, что облегченный тампонажный раствор с низкой фильтрацией способен образоваться лишь при приготовлении заявляемым способом, (при указанной последовательности операций, при перемешивании в течение не менее 0,5 ч при скорости вращения мешалок 100-120 об/мин) и указанном соотношении ингредиентов.

Тампонажные растворы, полученные предлагаемым способом, характеризуется следующими стабильными технологическими параметрами:
Плотность, кг/м³ - 1450-1650
Растекаемость, мм - 200-220
Время загустевания, ч-мин - 3-30 - 5-20
Фильтратоотдача, см³/30 мин при ΔР=0,7 МПа - 12-35
Водоотделение, мл - 0
Сроки схватывания, ч-мин - начало 6-15 - 9-00
- конец 8-10 - 10-00
Предел прочности на изгиб при хранении в пресной воде, МПа в течение 2, 5, 8 суток соответственно - 1,5-2,2; 3,4-4,2; 3,8-5,2
Усилие на выталкивание, МПа - 0,83-0,9
Усадка цементного камня через 2 суток, % - 0
Использование тампонажного раствора, полученного предлагаемым способом, обеспечивает по сравнению с тампонажными растворами, приготовленными известными способами:
высокое качество крепления за счет:
- оптимальных технологических свойств тампонажного раствора, приготовленного предлагаемым способом;
- обеспечения подъема цементного раствора на проектную высоту за счет снижения плотности;
- снижения нагрузки на пласты, особенно в условиях аномальных пластовых давлений и расчетных давлений в процессе цементирования за счет низкой плотности и хорошей растекаемости;
- формирования однородного по прочности безусадочного цементного камня;
кроме того, снижается вероятность возникновения заколонных перетоков и нарушений крепи за счет:
- высокой седиментационной устойчивости приготовленных тампонажных растворов;
- улучшенных характеристик сформированного из него цементного камня в результате высоких адгезионных свойств, прочности и низкой проницаемости этого камня.

Использование: в строительстве скважин. Технический результат заключается в придании приготовленному по этому способу тампонажному раствору повышенной седиментационной устойчивости, хорошей прокачиваемости, низкой фильтратоотдачи, регулируемых сроков схватывания и времени загустевания, высокой прочности цементному камню с улучшенными адгезионными свойствами и низкой проницаемостью. В способе приготовления облегченного тампонажного раствора путем смешения тампонажного портландцемента с алюмосиликатными микросферами с последующим введением в полученную сухую смесь жидкости затворения, содержащей ускоритель сроков схватывания и воду и перемешивание, причем смешение тампонажного портландцемента и указанных микросфер осуществляют в массовом соотношении 80:90 - 10:20, а жидкость затворения дополнительно содержит оксиэтилцеллюлозу или гидрооксиэтилцеллюлозу и лигносульфонаты или реагент на основе меламина при следующем отношении их к массе указанной сухой смеси мас. ч.: ускоритель сроков схватывания 0,2-3,0, оксиэтилцеллюлоза или гидрооксиэтилцеллюлоза 0,3-0,5, лигносульфонаты или реагент на основе меламина 0,1-0,4, вода 44-50, после введения жидкости затворения осуществляют перемешивание в течение 0,5 ч. 2 табл.

Способ приготовления облегченного тампонажного раствора путем смешения тампонажного портландцемента с алюмосиликатными микросферами с последующим введением в полученную сухую смесь жидкости затворения, содержащей ускоритель сроков схватывания и воду, и перемешивание, отличающийся тем, что смешение тампонажного портландцемента и указанных микросфер осуществляют в массовом соотношении 80: 90 - 10: 20, а жидкость затворения дополнительно содержит оксиэтилцеллюлозу или гидрооксиэтилцеллюлозу и лигносульфонаты или реагент на основе меламина при следующем отношении их к массе указанной сухой смеси, мас. ч. :
Ускоритель сроков схватывания - 0,2 - 3,0
Оксиэтилцеллюлоза или гидрооксиэтилцеллюлоза - 0,3 - 0,5
Лигносульфонаты или реагент на основе меламина - 0,1 - 0,4
Вода - 44 - 50
а после введения жидкости затворения осуществляют перемешивание в течение 0,5 ч.