ТАМПОНАЖНАЯ СМЕСЬ Российский патент 2023 года по МПК C09K8/467 

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, в частности к тампонажным смесям, предназначенным для цементирования обсадных колонн и установки цементных мостов, обусловленных наличием слабосцементированных горных пород с низким градиентом гидроразрыва.

Известна облегченная тампонажная смесь, предназначенная для крепления нефтяных и газовых скважин с аномально низким пластовым давлением, а именно к облегченным тампонажным смесям с высокими изолирующими свойствами, содержащая, мас. %: портландцемент тампонажный 51,50-64,54; микрокремнезем конденсированный МК-85 21,52-34,34; хлорид кальция 10,30-10,33; суперпластификатор полипласт СП-1 2,57-2,58, натросол 250 EXR 1,03-1,29 [RU 2470979 С1, МПК С09К 8/473, опубл. 27.12.2012]. Облегченная тампонажная смесь характеризуется плотностью раствора 1300 кг/м³, высокой седиментационной устойчивостью и минимальным значением водоотдачи.

Основными недостатками известной облегченной тампонажной смеси являются длительный период гидратации раствора и низкие значения прочностных показателей камня.

Известен облегченный изоляционный тампонажный материал, предназначенный для ликвидации зон катастрофических поглощений промывочной жидкости при бурении и ремонте нефтегазовых скважин содержащий, мас. %: портландцемент тампонажный 21,45-28,07, алюмосиликатные полые микросферы 5,35-9,85; низкоколлоидный бентонитовый глинопорошок 5,63-9,14, полиакриламид 0,43-0,56; экоцел 1,00-2,00; хлорид кальция 5,22-8,49; вода - остальное [RU 2448999 С1, МПК С09К 8/467, опубл. 27.04.2012]. Облегченный изоляционный тампонажный материал характеризуется низкими значениями водоотдачи и сроками загустевания.

Недостатками известного облегченного изоляционного тампонажного материала являются высокие реологические характеристики и короткий период гидратации. При использовании данного материала в процессе ликвидации зон катастрофических поглощений возможно возникновение осложнений, связанных с ранним периодом гидратации раствора.

Известен цемент тампонажный облегченный стабилизированный (ЦТОС-3 по ТУ 5734-001-74364232-2006), предназначенный для цементирования обсадных колонн нефтяных и газовых скважин с низкими пластовыми давлениями, при положительных температурах до 120°С, с плотностью раствора 1280-1320 кг/м³. Цемент тампонажный облегченный стабилизированный характеризуется низкой плотностью раствора и умеренной растекаемостью.

Недостатком известного цемента тампонажного облегченного стабилизированного является низкая седиментационная устойчивость раствора.

Наиболее близким является облегченный тампонажный раствор, используемый при цементировании обсадных колонн газовых, газоконденсатных или нефтяных скважин, осложненных наличием слабосвязанных, склонных к гидроразрыву пород. Тампонажный раствор содержит ингредиенты в следующем соотношении, мас. %: портландцемент тампонажный 36,47-57,34; алюмосиликатные полые микросферы 6,47-17,65; карбоалюминатная добавка 1,18-2,67; гипс 1,18-2,67; вода или 4%-ный раствор хлористого кальция - остальное. Обеспечивает увеличение прочности цементного камня при одновременном снижении плотности тампонажного раствора, расширение камня в пределах 0,1-0,3 [RU 2151271 С1, МПК Е21В 33/138, опубл. 20.06.2000].

Недостатком известного тампонажного раствора является длительный срок гидратации раствора.

Техническая проблема, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении качества цементирования обсадных колонн и установки цементных мостов, обусловленных наличием слабосцементированных горных пород с низким градиентом гидроразрыва.

Техническим результатом является создание тампонажной смеси обеспечивающей повышение качества крепления скважин путем получения тампонажного состава с плотностью раствора 1300±40 кг/м³, характеризующегося ускоренным процессом гидратации раствора и оптимальной прочностью камня.

Указанный технический результат достигается тем, что тампонажная смесь включает портландцемент тампонажный типа ПЦТ I-50, микросферы, гипс, новым является то, что содержит высокопрочный гипс марки ГВВС-19, микросферы марки Гранулайт-2500 минералогического состава, мас. %: стекло 12-15, муллит 50-53, кварц 32-38, и дополнительно тампонажная смесь содержит микрокремнезем конденсированный МК-85, замедлитель схватывания гипсовых вяжущих материалов -замедлитель схватывания гипсовых вяжущих материалов EasyCitrate, представляющий собой цитрат натрия трехзамещенный двухводный, или лимонную кислоту, пластификатор марки Easy FLOW PC, представляющий собой смесь полимеров на основе поликарбоксилатов, при следующем соотношении указанных сухих компонентов, мас. ч.:

портландцемент тампонажный ПЦТ I-50 29,99-39,98 указанный гипс 24,98-34,98 указанные микросферы 24,95-29,99 микрокремнезем конденсированный МК-85 3,00-9,99 замедлитель схватывания EasyCitrate или лимонная кислота 0,01-0,10 указанный пластификатор 0,01-0,05

Достижение указанного технического результата обеспечивается за счет определенного сочетания компонентов (количественного и качественного) в заявляемой тампонажной смеси и совокупности необходимых физико-химических процессов, происходящих при формировании камня.

Функциональным назначением высокопрочного гипса марки ГВВС-19 в составе заявляемой смеси является стабилизация и ускорение процесса гидратации раствора.

В качестве облегчающей добавки в заявляемой смеси используются алюмосиликатные микросферы. Используемые микросферы обеспечивают требуемую плотность раствора.

Микрокремнезем конденсированный в аморфной форме в заявляемой смеси обеспечивает повышение водостойкости камня в период гидратации.

Наличие замедлителя схватывания гипсовых вяжущих материалов EasyCitrate или лимонной кислоты и пластификатора марки Easy FLOW PC в заявляемой смеси обеспечивает замедление процесса гидратации и разжижение реологических характеристик раствора.

Заявляемое соотношение компонентов и последующее синергетическое действие их друг на друга позволяет получить облегченный тампонажный раствор, обеспечивающий достижение технического результата за счет контролируемых сроков схватывания раствора и ускоренного процесса набора прочности камня.

Приготовление предлагаемой тампонажной смеси осуществляют с использованием следующих компонентов:

- портландцемент тампонажный типа ПЦТ I-50 по ГОСТ 1581-2019, производитель ОАО «Сухоложскцемент». В качестве альтернативного вяжущего вещества возможно использовать микронизированный цемент, например, микроцемент-10 по ТУ 5739-021-80338612-2014, который предназначен для строительства скважин, упрочнения массивов грунтов, железобетонных и каменных конструкций. Микроцемент изготавливается путем тонкого измельчения и классификации тампонажного цемента ПЦТ I-G-CC-1 ГОСТ 1581 или портландцемента ЦЕМ I 42,5 Н ГОСТ 31108 с добавлением сульфатостойких добавок. Микроцемент - 10 - с размером частиц от 0,2 до 15 микрон, при среднем (медианном) значении 4-5 микрон;

- высокопрочный гипс марки ГВВС-19 производимый по ГОСТ 125-2018 - вяжущее гипсовое высокопрочное сепарированный;

- микросферы марки Гранулайт-2500 по ТУ 5712-010-80338612-2008 представляют собой полые микросферы - мелкодисперсный порошок, состоящий из полых частиц сферической формы следующего минералогического состава: стекло - 12-15%, муллит - 50-53%, кварц - 32-38%. Цвет - белый с легким сероватым или кремовым оттенком, светло-серый, серый, темно-серый. Твердость по шкале Мооса - 6. Массовая доля частиц крупнее 400 мкм - не более 5 масс. %. Предназначены для изготовления тампонажных цементных смесей, буровых растворов, огнеупорных, звуко- и теплоизоляционных материалов, в качестве легких заполнителей (облегчающей добавки для получения систем с низкой плотностью) в бетоны, сухие строительные смеси, цементные смеси;

- микрокремнезем конденсированный марки МК-85 по ТУ 14-142-023-00186476-2020 - предназначен для применения в качестве высокоактивной минеральной добавки к бетону и цементу. Микрокремнезем конденсированный представляет собой ультрадисперсный материал, состоящий из частиц сферической формы, получаемый в процессе очистки газов, поступающих от печей при производстве кремнийсодержащих сплавов. Основным компонентом материала является диоксид кремния аморфной модификации. Внешний вид - ультрадисперсный порошок серого цвета;

- замедлитель схватывания гипсовых вяжущих материалов EasyCitrate по ТУ 2634-037-33217677-2017, который предназначен для регулирования сроков загустевания тампонажных растворов на основе тампонажного/строительного гипса. Представляет собой цитрат натрия трехзамещенный двухводный. Внешний вид и цвет - бесцветные кристаллы.

Также в качестве замедлителя схватывания гипсовых вяжущих материалов возможно использование лимонной кислоты по ГОСТ 31726-2012;

- пластификатор марки Easy FLOW PC по ТУ 2458-027-33217677-2017 представляет собой смесь полимеров на основе поликарбоксилатов, предназначен для снижения вязкости и улучшения прокачиваемости тампонажных растворов, а также для снижения гидродинамических давлений при цементировании обсадных колонн. Представляет собой белый порошок с массовой долей влаги не более 10%.

Физико-механические свойства раствора и камня определялись в соответствии с ГОСТ 34532-2019 «Цементы тампонажные. Методы испытаний». Плотность раствора определялась пикнометром, растекаемость - формой-конусом, водоотделение - в двух цилиндрах объемом 250 мл. Определение водоотдачи тампонажного раствора проводилось на «ВМ-6» при температуре 22°С. Определение сроков схватывания проводилось с использованием прибора ИГЛА-ВИКА при температуре 22°С. Определение времени загустевания раствора выполнялось на консистометре ZM 1002 (фирма ООО НПК «ЗИП-Магнитоника»). Хранение образцов тампонажного камня при температурах 22°С производилось в камере твердения 1910 (фирма «Chandler Engineering))), а определение предела прочности при изгибе и сжатии определялось на пресс-машине (фирма «Controls»).

Тампонажную смесь в лабораторных условиях готовили следующим образом.

В определенных соотношениях сухие компоненты смешивают до единой гомогенизации смеси. Далее смесь затворяют технической водой в лабораторном смесителе СЛ-1 согласно ГОСТ 34532-2019. Цементы тампонажные. Методы испытаний. По окончании затворения определяют технологические свойства полученного раствора и сформированного камня.

Пример. Для приготовления раствора предлагаемой смеси (таблица, состав 1) необходимо: 39,98 мас.ч. ПЦТ I-50; 24,99 мас. ч. гипса высокопрочного марки ГВВС-19; 29,99 мас. ч. микросфер; 4,99 мас. ч. микрокремнезема МК-85; 0,04 мас. ч. замедлителя схватывания гипсовых вяжущих материалов EasyCitrate; 0,01 мас.ч. пластификатора марки Easy FLOW PC, взвешенные компоненты перемешать до получения гомогенной смеси. Смесь затворяют технической водой в лабораторном смесителе СЛ-1. После перемешивания в течение трех минут определяют плотность (г/см³), растекаемость (мм), водоотделение (мл) и время загустевания до 30 Вс (мин). Для определения предела прочности камня (МПа) при изгибе и сжатии (хранят при температуре 22°С в течение 48 часов), вновь взвешенную и перемешенную гомогенную смесь затворяют водой и заливают в формы-балочки.

Приготовленный раствор и сформированный из него камень охарактеризовался следующими параметрами: плотность раствора - 1,29 г/см³; растекаемость раствора - 195 мм; водоотделение раствора - 0,0 мл; время достижения консистенции раствора - 281 мин; начало схватывания раствора через 50 мин после затворения, конец схватывания раствора через 80 мин после затворения; предел прочности камня при изгибе - 1,27 МПа и при сжатии - 3,95 МПа.

Примеры приготовления и испытания остальных составов, приведенных в таблице, аналогичны вышеописанному.

Как видно из таблицы, заявляемая тампонажная смесь, включающая портландцемент тампонажный, указанный гипс, указанные микросферы, микрокремнезем конденсированный МК-85, замедлитель схватывания гипсовых вяжущих материалов EasyCitrate и пластификатор марки Easy FLOW PC, при указанном соотношении компонентов характеризуется тиксотропными свойствами и достаточными прочностными характеристиками.

Для выявления отличительных признаков и заявляемого технического результата изменяли массовые соотношения компонентов (таблица, составы 9-12). В данных случаях отмечается деградация показателей раствора и камня. В случае увеличения содержания портландцемента с параллельным уменьшением долей других компонентов в составе смеси отрицательно сказывается на процессе гидратации раствора с последующим уменьшением прочностных показателей камня. Увеличение доли гипса высокопрочного в составе смеси отрицательно сказывается на «прокачиваемости» раствора.

Заявляемые соотношения компонентов позволяют получить необходимый технический результат и обеспечить необходимую плотность, тиксотропность раствора и прочность камня для выполнения работ по цементированию.

Таким образом, заявляемая тампонажная смесь обеспечивает повышение качества крепления скважин при цементировании обсадных колонн и установки цементных мостов, обусловленных наличием слабосцементированных горных пород.

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, в частности к тампонажным смесям, предназначенным для цементирования обсадных колонн и установки цементных мостов, обусловленных наличием слабосцементированных горных пород с низким градиентом гидроразрыва. Технический результат - ускоренный процесс гидратации тампонажного раствора, оптимальная прочность камня, повышение качества крепления скважин. Тампонажная смесь содержит, мас.ч.: портландцемент тампонажный типа ПЦТ I-50 29,99-39,98; высокопрочный гипс марки ГВВС-19 24,98-34,98; микросферы марки Гранулайт-2500 24,95-29,99; микрокремнезем конденсированный МК-85 3,00-9,99; замедлитель схватывания гипсовых вяжущих материалов 0,01-0,10; пластификатор марки Easy FLOW PC 0,01-0,05. Микросферы марки Гранулайт-2500 имеют следующий минералогическмий состав, мас.%: стекло 12-15, муллит 50-53, кварц 32-38. Замедлитель схватывания гипсовых вяжущих материалов EasyCitrate представляет собой цитрат натрия трехзамещенный двухводный. Пластификатор марки Easy FLOW PC представляет собой смесь полимеров на основе поликарбоксилатов. 1 табл., 1 пр.

Тампонажная смесь, включающая портландцемент тампонажный типа ПЦТ I-50, микросферы, гипс, отличающаяся тем, что содержит высокопрочный гипс марки ГВВС-19, микросферы марки Гранулайт-2500 минералогического состава, мас.%: стекло 12-15, муллит 50-53, кварц 32-38, и дополнительно тампонажная смесь содержит микрокремнезем конденсированный МК-85, замедлитель схватывания гипсовых вяжущих материалов - замедлитель схватывания гипсовых вяжущих материалов EasyCitrate, представляющий собой цитрат натрия трехзамещенный двухводный, или лимонную кислоту, пластификатор марки Easy FLOW PC, представляющий собой смесь полимеров на основе поликарбоксилатов, при следующем соотношении указанных сухих компонентов, мас.ч.:

портландцемент тампонажный ПЦТ I-50 29,99-39,98 указанный гипс 24,98-34,98 указанные микросферы 24,95-29,99 микрокремнезем конденсированный МК-85 3,00-9,99 замедлитель схватывания EasyCitrate или лимонная кислота 0,01-0,10 указанный пластификатор 0,01-0,05