Расширяющийся тампонажный материал для низкотемпературных скважин Российский патент 2024 года по МПК E21B33/138 C09K8/467 

Предлагаемое изобретение относится к области цементирования обсадных колонн в газовых, газоконденсатных и нефтяных скважинах, а именно к тампонажным материалам, используемым при наличии низких температур, многолетнемерзлых и слабосвязанных пород.

Известен расширяющийся тампонажный состав, включающий тампонажный портландцемент для холодных скважин 35,5-56,5, сернокислый алюминий 2,0-5,0, торф 2,0-10,3, вода остальное (патент RU 2155263 С2, «РАСШИРЯЮЩИЙСЯ ТАМПОНАЖНЫЙ СОСТАВ ДЛЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СКВАЖИН», Е21В 33/138, опубл. 27.08.2000).

Недостатком данного расширяющегося тампонажного состава является седиментационная неустойчивость раствора, низкая прочность и небольшое линейное расширение тампонажных камней, нестабильность фазового состава. При этом невозможно приготовить данный состав полностью заводского изготовления из-за высокой гигроскопичности добавок торфа и сернокислого алюминия, что снижает эффективность проводимых работ в условиях отрицательных температур.

Наиболее близким по составу и назначению к предлагаемому изобретению является облегченный тампонажный цемент, содержащий портландцемент тампонажный 36,47-57,34, алюмосиликатные полые микросферы 6,45-17,65, карбоалюминатная добавка 1,18-2,67, гипс 1,18-2,67, жидкость затворения - вода пресная или 4%-ный раствор CaCl₂ (патент RU 2151271 С1, «ОБЛЕГЧЕННЫЙ ТАМПОНАЖНЫЙ РАСТВОР», Е21В 33/138, опубл. 20.06.2000).

Недостатками известного облегченного тампонажного цемента, является низкая седиментационная устойчивость раствора, малая величина линейного расширения тампонажного камня, что не обеспечит напряженного контакта как с колоннами, так и с породами. Отсутствие в компонентном составе активных минеральных добавок, способствующих формированию структуры камней и повышению их коррозионной устойчивости. Гигроскопичный реагент CaCl₂ требуется вводить в жидкость затворения, что осложняет проведение цементирования обсадных колонн в условиях отрицательных температур.

Задачей предлагаемого изобретения является создание расширяющегося тампонажного материала, при использовании которого обеспечивалось бы качественное первичное цементирование обсадных колонн и разобщение пластов в условиях низких и отрицательных температур.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое техническое решение, заключается в повышении качества первичного цементирования обсадных колонн и разобщения пластов в условиях низких температур за счет устранения нефтеводогазапроявлений и межколонных давлений, что обеспечивается за счет применения расширяющегося тампонажного материала, образующего в процессе гидратации седиментационно-устойчивый тампонажный раствор с оптимальными сроками схватывания, а в процессе твердения коррозионно-стойкий камень с величиной расширения не менее 5% для надежной герметизации заколонных и межколонных пространств. Указанный технический результат достигается за счет интенсификации процессов гидратации и твердения тампонажного раствора, содержащего комплекс взаимодополняющих активных добавок при низких и отрицательных температурах.

Указанный технический результат обеспечивается за счет того, что заявляемый расширяющийся тампонажный материал содержит тампонажный портландцемент, облегчающие добавки - керамзитовую пыль с удельной поверхностью 550-650 м²/кг и алюмосиликатные микросферы, расширяющий компонент - сульфоалюминатнобелитовое вяжущее САБВ-30-1, суперпластификатор - Melflux 1641 F, жидкость затворения - пресную или пластовую воду при водосмесевом отношении (далее - В/С) 0,5-0,7, а также дополнительно, в качестве структурообразователя и регулятора сроков загустевания-схватывания, используется гидроксохлорид алюминия при следующем соотношении компонентов, мас. %:

тампонажный портландцемент 70,7-55,2 керамзитовая пыль 10,0-15,0 гидроксохлорид алюминия 10,0-15,0 алюмосиликатные микросферы 2,0-4,0 САБВ-30-1 7,0-10,0 Melflux 1641 F 0,3-0,8

пресная или пластовая вода сверх 100 мас. %

Для приготовления тампонажной смеси применяются следующие добавки:

- ПЦТ 1-50 - портландцемент тампонажный бездобавочный для низких и нормальных температур (15-50)°С по ГОСТ 1581-96;

- керамзитовая пыль - отход керамзитового производства, дополнительно измельченный до удельной поверхности 550-650 м²/кг (минералогический состав керамзитовой пыли следующий (мас. %): недегидратированные и дегидратированные глинистые минералы - 57; кварц - 12; полевые шпаты - 4; ангидрит - 2; аморфная фаза - 25);

- гидроксохлорид алюминия - основная соль, имеющая формулу Al_n(OH)(_3n-_m)Cl_m типа Al(ОН)₂Cl, Al(ОН)₅Cl, AlOHCl₂. Массовая доля основного вещества в пересчете на Al₂O₃, не менее 42%. Массовая доля хлоридов в пересчете на Cl^-, не более 30%.

- алюмосиликатные микросферы - легкий порошок бело-серого цвета с размером частиц 10-510 мкм, выпускаемый по ТУ 23.99.19-001- 23278943-2018;

- САБВ-30-1 - сульфоалюминатнобелитовое вяжущее, минералогический состав которого представлен: 51% 4CaO⋅3Al₂O₃⋅SO₃, 30% 2CaO⋅SiO₂, 5% CaSO₄⋅2H₂O, 5% 4CaO⋅Al₂O₃⋅Fe₂O₃, 9% СаО_своб;

- Melflux 1641 F - порошковый продукт, полученный методом распылительной сушки на основе модифицированного полиэфиркарбоксилата. Структурная формула модифицированного полиэфиркарбоксилата:

Расширяющийся тампонажный материал для низкотемпературных скважин содержит добавки в следующем соотношении, мас. %: тампонажный портландцемент 70,7-53,2, керамзитовую пыль с удельной поверхностью 550-650 м²/кг 10,0-15,0, гидроксохлорид алюминия 10,0-15,0, алюмосиликатные микросферы 2,0-4,0, сульфоалюминатнобелитовое вяжущее САБВ-30-1 7,0-10,0, суперпластификатор Melflux 1641 F 0,3-0,8, и дополнительно сверх 100 мас. % жидкость затворения - пресную или пластовую воду.

Сульфоалюминатнобелитовое вяжущее изготовлено с использованием специального сульфатированного клинкера, гипса и модифицирующих добавок. В минералогический состав САБВ-30-1 входят следующие минералы: 4CaO⋅3Al₂O₃⋅SO₃, 2CaO⋅SiO₂, CaSO₄⋅2H₂O, 4CaO⋅Al₂O₃⋅Fe₂O₃, гидратация которых обеспечивает повышение прочности и расширения тампонажных камней в ранние сроки твердения, что позволяет использовать данный состав в качестве расширяющейся добавки к бездобавочному портландцементу.

Керамзитовая пыль является отходом, получаемым в процессе производства керамзитового гравия при температуре обжига около 1000-1100°С дополнительно измельченная до удельной поверхности 550-650 м²/кг. Минералогический состав данной керамзитовой пыли представлен следующими минералами: глинистые минералы (каолинит, гидрослюды, монтмориллонит), кварц, полевые шпаты, ангидрит, аморфная фаза. По гранулометрическому составу она содержит 57,4% частиц размером 1-30 мкм и 42,6% частиц с размером 30-250 мкм. Обладая гидратационной активностью разнозернистая керамзитовая пыль с высокой удельной поверхностью относится к активным минеральным добавкам и вводится в тампонажный материал в качестве облегчающей добавки, а также структурообразователя и регулятора расширения, интенсивно связывающей избыточное количество CaSO₄ и выделяющийся при гидролизе 3CaO⋅SiO₂ Са(ОН)₂ в устойчивые новообразования, повышая при этом седиментационную устойчивость раствора, прочность и коррозионную стойкость образовавшихся камней в условиях низких и отрицательных температур.

Дополнительное введение в компонентный состав гидроксохлорида алюминия, содержащего значительное количество реакционноспособного оксида алюминия γ-Al₂O₃, выступающего в качестве связующего, обеспечивает формирование гелеобразной структуры, способной удерживать в растворе тонкодисперсные добавки - керамзитовую пыль и алюмосиликатные микросферы, а также оказывает большое влияние на скорость структурообразования на ранних стадиях твердения тампонажного раствора в условиях низких и отрицательных температур. Наличие определенного количества ионов хлора (Cl^-), образующихся в процессе растворения гидроксохлорида алюминия, снижает растворимость вяжущего вещества, но одновременно с этим способствует возникновению большого числа зародышей новых фаз, что также приводит к ускорению структурообразования на ранних стадиях твердения и к существенному сокращению сроков схватывания тампонажного раствора.

При гидратации расширяющегося тампонажного материала, содержащего тампонажный портландцемент, керамзитовую пыль с удельной поверхностью 550-650 м²/кг, гидроксохлорид алюминия, алюмосиликатные микросферы и сульфоалюминатнобелитовое вяжущее, за счет повышения степени дисперсности частиц увеличивается скорость гидратации, а в результате этого ускоряется появление новообразований и рост кристаллов в порах структуры тампонажного камня при невысоких температурах. При этом, в течение первых суток твердения, в порах камня образуется большое количество гидросульфоалюмината кальция трехсульфатной формы (эттрингита).

При достаточном количестве гипса и извести в составе образование эттрингита происходит по следующей реакции:

4CaO⋅3Al₂O₃⋅SO₃+8CaSO₄⋅2H₂O+8Са(ОН)₂+90H₂O=3CaO⋅Al₂O₃⋅3CaSO₄⋅32H₂O

Гидросульфоалюминат кальция трехсульфатной формы за счет возникновения повышенного кристаллизационного давления способен вызывать раздвижку элементов структуры, причем при твердении заявляемого тампонажного раствора образуются также низкоосновные гидросиликаты типа CSH (В), гидроалюминаты и гидроалюмосиликаты кальция разного состава типа СаО⋅Al₂O₃⋅10Н₂О, 2СаО⋅Al₂O₃⋅8H₂O, 3СаО⋅Al₂O₃⋅6H₂O и Ca₂Al₂SiO₇⋅8H₂O, обладающие гидравлическими свойствами, и способные твердеть при пониженных температурах, а также образовывать водонепроницаемый прочный камень с величиной расширения более 5% обладающий высокой коррозионной стойкостью.

Определение технологических свойств тампонажного раствора и параметров камней проводили при температурах 5 и 20±2°С при атмосферном давлении в соответствии с ГОСТ 26798.1-96 «Цементы тампонажные. Методы испытаний».

Тампонажный раствор приготавливали следующем образом.

Первоначально приготавливается сухая смесь, содержащая тампонажный портландцемент, керамзитовую пыль с удельной поверхностью 550-650 м²/кг, гидроксохлорид алюминия, алюмосиликатные микросферы, сульфоалюминатнобелитовое вяжущее и Melflux 1641 F в заданных дозировках. Полученный тампонажный материал перемешивается до гомогенного состояния, а затем затворяется пресной водой. В ходе лабораторных исследований определяли основные свойства растворов и параметры камней при разных температурах.

Состав №1: 63,5% ПЦТ 1-50 + 10% керамзитовой пыли с удельной поверхностью 550-650 м²/кг + 15% гидроксохлорида алюминия + 3% алюмосиликатных микросфер + 8% САБВ-30-1 + 0,5% Melflux 1641 F и дополнительно вода сверх 100 мас. % при В/С=0,7.

Состав №2: 63,3% ПЦТ 1-50 + 12% керамзитовой пыли с удельной поверхностью 550-650 м²/кг + 10% гидроксохлорида алюминия + 2% алюмосиликатных микросфер + 10,0 САБВ-30-1 + 0,7% Melflux 1641 F и дополнительно вода сверх 100 мас. % при В/С=0,6.

Состав №3: 69,3% ПЦТ 1-50 + 8% керамзитовой пыли с удельной поверхностью 550-650 м²/кг + 10% гидроксохлорида алюминия + 2% алюмосиликатных микросфер + 10% САБВ-30-1 + 0,7% Melflux 1641 F и дополнительно вода сверх 100 мас. % при В/С=0,65.

Состав №4: (близкий по компонентному составу к заявленному тампонажному материалу) 59,4% ПЦТ 1-50 + 15% керамзитовой пыли с удельной поверхностью 550-650 м²/кг + 12% гидроксохлорида алюминия + 3,0 алюмосиликатных микросфер + 10% САБВ-30-1 + 0,6% Melflux 1641 F и дополнительно вода сверх 100 мас. % при В/С=0,55.

Прототип: 46,06% ПЦТ 1-50 + 12,12% алюмосиликатных полых микросфер + 1,21% карбоалюминатной добавки + 1,21% гипса, жидкость затворения - вода или 4%-ный раствор CaCl₂.

Пример. Для приготовления 1000 г расширяющегося тампонажного материала (состав №4) необходимо взять 594 г тампонажного портландцемента, 150 г керамзитовой пыли с удельной поверхностью 550-650 м²/кг, 120 г гидроксохлорида алюминия, 30 г алюмосиликатных микросфер, 100 г сульфоалюминатнобелитового вяжущего, 6 г суперпластификатора Melflux 1641 F. Полученную сухую смесь перемешиваем до получения однородной массы, которую затем затворяем 550 мл пресной воды и перемешиваем в течение 3 мин.

Технологические свойства тампонажного раствора и физико-механические параметры камней, в сравнении с прототипом, представлены в таблице.

Анализ данных таблицы свидетельствуют, что заявляемый расширяющийся тампонажный материал, образующий в процессе гидратации седиментационно-устойчивый тампонажный раствор, обладает оптимальными сроками схватывания, а в процессе твердения образует коррозионностойкий камень с величиной объемного расширения более 5% при температуре твердения 20±2°С, в отличии от известного раствора.

Использование заявляемого расширяющегося тампонажного материала обеспечит качественное первичное цементирование обсадных колонн и разобщение пластов в условиях низких и отрицательных температур, за счет быстрого схватывания тампонажного раствора, повышения прочности и расширения образованных камней в ранние сроки твердения.

Преимуществами заявляемого расширяющегося тампонажного материала является то, что его раствор - камень имеет приемлемые сроки загустевания-схватывания и величины расширения, которые можно варьировать в температурном диапазоне до 30°С, что повышает качество первичного цементирования обсадных колонн и разобщения пластов в условиях низких и отрицательных температур.

Изобретение относится к области цементирования обсадных колонн в газовых, газоконденсатных и нефтяных скважинах, а именно к тампонажным материалам, используемым при наличии низких температур, многолетнемерзлых и слабосвязанных пород. Расширяющийся тампонажный материал содержит 55,2-70,7 мас. % тампонажного портландцемента, 10,0-15,0 мас. % облегчающей добавки в виде керамзитовой пыли с удельной поверхностью 550-650 м²/кг, 7,0-10,0 мас. % расширяющего компонента в виде сульфоалюминатнобелитового вяжущего САБВ-30-1, 10,0-15,0 мас. % связующего компонента, структурообразователя и регулятора сроков загустевания-схватывания в виде гидроксохлорида алюминия. При этом материал дополнительно содержит 2,0-4,0 мас. % алюмосиликатных микросфер, 0,3-0,8 мас. % суперпластификатора в виде порошкового продукта на основе модифицированного полиэфиркарбоксилата Melflux 1641 F, пресную или пластовую воду сверх 100 мас. %, при водосмесевом отношении (В/С), равном 0,5-0,7. Техническим результатом является повышение качества первичного цементирования обсадных колонн и разобщения пластов в условиях низких температур за счет устранения нефтеводогазопроявлений и межколонных давлений. 1 табл., 1 пр.

Расширяющийся тампонажный материал, содержащий тампонажный портландцемент, облегчающую добавку, расширяющий и связующий компоненты, алюмосиликатные микросферы, суперпластификатор и пресную или пластовую воду при водосмесевом отношении (В/С), равном 0,5-0,7, отличающийся тем, что в качестве облегчающей добавки используют керамзитовую пыль с удельной поверхностью 550-650 м²/кг, в качестве расширяющего компонента - сульфоалюминатнобелитовое вяжущее САБВ-30-1, в качестве суперпластификатора - порошковый продукт на основе модифицированного полиэфиркарбоксилата Melflux 1641 F, в качестве структурообразователя и регулятора сроков загустевания-схватывания - гидроксохлорид алюминия при следующем соотношении компонентов, мас. %:

тампонажный портландцемент 55,2-70,7 керамзитовая пыль 10,0-15,0 гидроксохлорид алюминия 10,0-15,0 алюмосиликатные микросферы 2,0-4,0 САБВ-30-1 7,0-10,0 Melflux 1641 F 0,3-0,8

и пресная или пластовая вода сверх 100 мас. %.