ТАМПОНАЖНЫЙ РАСТВОР С РЕГУЛИРУЕМЫМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ Российский патент 2024 года по МПК C09K8/467 

Изобретение относится к области строительства скважин, в частности к тампонажным растворам для цементирования обсадных колонн, а также хвостовиков дополнительных стволов нефтяных и газовых скважин.

Известен самовосстанавливающийся тампонажный материал, включающий 99,0-99,5 мас. % портландцемента и набухающий полимерный материал. При этом в качестве набухающего полимерного материала содержит 0,5-1,0 мас. % водонабухающих гранул в виде нерастворимых в воде сшитых сополимеров акриламида и акрилата калия, покрытых водорастворимой оболочкой из карбоксиметилцеллюлозы, модифицированной поливиниловым спиртом [патент RU №2760860, опубл. 01.12.2021 г.].

Недостатком указанного тампонажного материала является подверженность набухающего полимера деструкции вследствие таких факторов, как колебания температуры, механическое напряжение, агрессивное воздействие пластовых флюидов, что может стать причиной ограничения во времени эффекта самовосстановления герметичности затрубного пространства.

Также известен тампонажный раствор для цементирования нефтяных и газовых скважин, содержащий портландцемент, пенетрирующую добавку, понизитель водоотдачи, пластификатор, пеногаситель и воду. В качестве пенетрирующей добавки он содержит «ПенетронАдмикс», в качестве понизителя водоотдачи - любой из водорастворимых эфиров целлюлозы, в качестве пластификатора - лигносульфонат, в качестве пеногасителя - трибутилфосфат при следующем соотношении компонентов, мас.%: портландцемент - 100, указанная пенетрирующая добавка 3,0 сверх 100, указанный понизитель водоотдачи - 0,03-0,1 сверх 100, указанный пластификатор - 0,3-0,7 сверх 100, трибутилфосфат - 0,01-0,1 сверх 100, вода до водоцементного отношения - 0,38-0,42 [патент RU №2542013, опубл. 20.02.2015 г.].

Недостатком известного раствора является отсутствие способности к линейному расширению, что может привести к неплотному контакту цементного камня с горными породами и стенками скважины.

Наиболее близким составом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является расширяющийся тампонажный раствор с регулируемыми технологическими свойствами, обеспечивающий плотный контакт цемента с обсадной колонной и горными породами и содержащий жидкость затворения - воду и основу, состоящую из портландцемента тампонажного, гидрооксиэтилцеллюлозы, пластификатора поликарбоксилата, полигликоля ПЛАСТЭК ПГ-07, хлорида кальция, алюмосиликатной пуццолановой добавки метакаолина, диабазовой муки и расширяющей добавки - продукта совместного помола отхода доменного шлака и негашеной извести ДРС-НУ среднего химического состава, мас.%: CaO+MgO - 72-91; SiO₂ - 7-23; Аl₂О₃ - 0-4; Fe₂О₃ - 0-2,5; прочие примеси - 0-4,5 при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: портландцемента тампонажного - 93,70-93,85; гидроксиэтилцеллюлозы - 0,15-0,23; пластификатора поликарбоксилата - 0,8-0,12; полигликоля ПЛАСТЭК ПГ-07 - 0,02-0,06; расширяющей добавки ДРС-НУ - 3,95-4,0; метакаолина - 0,45-0,54; диабазовой муки - 1,05-1,26; хлорида кальция - 0,45-1,0. Содержание воды в растворе обеспечивает водосмесевое соотношение с основой 0,45-0,55 [патент RU №2536725, опубл. 27.12.2014 г.]. Данный раствор принят в качестве прототипа.

Признаки прототипа, совпадающие с признаками заявляемого изобретения – жидкость затворения - вода и основа; основа состоит из тампонажного портландцемента, понизителя фильтрации, пеногасителя, пластифицирующей добавки на основе поликарбоксилатного сополимера, расширяющей добавки – продукта совместного помола отхода доменного шлака и негашеной извести среднего химического состава.

Недостатком указанного тампонажного материала является отсутствие способности к самовосстановлению после возникновения в нем трещин и микрозазоров в результате воздействия на крепь скважины динамических нагрузок (опрессовки, перфорация, гидроразрыв пласта и т.д.), т.е. восстановлению герметичности затрубного пространства.

Задачей изобретения является разработка тампонажного раствора, цементный камень которого обладает способностью к линейному расширению, что обеспечит плотный контакт цементного камня с обсадной колонной и стенкой скважины, и самовосстановлению целостности и герметичности при образовании в нем микрозазоров и трещин при взаимодействии с пластовой водой.

Поставленная задача решается за счет того, что в заявляемом тампонажном растворе с регулируемыми технологическими свойствами содержится жидкость затворения - вода и основа, состоящая из тампонажного портландцемента, понизителя фильтрации, пеногасителя, пластифицирующей добавки на основе поликарбоксилатного сополимера, расширяющей добавки – продукта совместного помола отхода доменного шлака и негашеной извести среднего химического состава мас. %:

СаО+МgO 72 - 91 SiO₂ 7 - 23 А1₂O₃ 0 - 4 Fе₂О₃ 0 - 2,5 прочие примеси 0 - 4,5

Согласно изобретению, основа дополнительно содержит комплексную минеральную добавку следующего среднего химического состава, мас. %:

Нанооксид алюминия Al₂O₃ 35 - 45 Тальк молотый 25 - 35 Гидроксид кальция Ca(OH)₂ 15 - 20 Полугидрат гипса CaSO₄·0,5H₂O 8 - 10 Прочие примеси 0 - 5

в качестве понизителя фильтрации содержит синтетический полимер на основе полиакриламида, в качестве пеногасителя - кремнийорганический полимер при следующем соотношении ингредиентов, мас. %:

Портландцемент тампонажный 100 Синтетический полимер на основе полиакриламида 0,35-0,5 сверх 100 Кремнийорганический полимер 0,1-0,3 сверх 100 Поликарбоксилатный сополимер 0,2-0,4 сверх 100 Расширяющая добавка 3,0-5,0 сверх 100 Комплексная минеральная добавка 1,0-3,0 сверх 100

а содержание воды в растворе обеспечивает водосмесевое соотношение с основой 0,45-0,70.

Отличительные признаки заявляемого раствора от раствора по прототипу – основа дополнительно содержит комплексную минеральную добавку следующего химического состава мас. %: нанооксид алюминия Al₂O₃ – 35-45; Тальк молотый – 25-35; гидроксид кальция Ca(OH)₂ – 15-20; полугидрат гипса CaSO₄·0,5H₂O – 8-10; прочие примеси – 0-5; в качестве понизителя фильтрации содержит синтетический полимер на основе полиакриламида; в качестве пеногасителя содержит кремнийорганический полимер, а также иное количественное соотношение используемых ингредиентов мас.%: портландцемента тампонажного – 100; синтетического полимера – 0,35-0,5 сверх 100; кремнийорганического полимера – 0,1-0,3 сверх 100; поликарбоксилатного сополимера – 0,2-0,4 сверх 100; расширяющую добавку – 3,0-5,0 сверх 100; комплексную минеральную добавку – 1,0-3,0 сверх 100; содержание воды в растворе обеспечивает водосмесевое соотношение с основой 0,45-0,70.

В научно-технической и патентной литературе ранее не упоминались тампонажные материалы, содержащие совокупность указанных выше компонентов в предложенном количественном соотношении, что позволяет сделать вывод о новизне заявляемого технического решения.

Достигаемый при осуществлении изобретения технический результат состоит в улучшенной изоляционной способности цементного камня, получаемого из предлагаемого тампонажного раствора, за счет способности к линейному расширению и самовосстановлению герметичности цементного кольца в случае образовании в нем микрозазоров и трещин при взаимодействии с пластовой водой без проведения дополнительны операций в скважине и без ухудшения основных технологических свойств цементного раствора-камня.

Понизитель фильтрации на основе синтетического полимера снижает процессы водоотделения и водоотдачи.

Пеногаситель на основе кремнийорганического полимера обеспечивает уменьшение пенообразования.

Пластифицирующая добавка на основе поликарбоксилатного сополимера снижает реологические параметры и позволяет получить необходимую подвижность тампонажного раствора.

Указанная расширяющая добавка способствует увеличению плотности контакта цементного камня с обсадной колонной и горной породой.

Указанная комплексная минеральная добавка обеспечивает самовосстановление целостности и герметичности цементного камня в случае их нарушения в результате различных технологических операций при взаимодействии с пластовой водой.

Частицы добавки вступают в реакцию с присутствующими в составе портландцемента ионами кальция, алюминия и железа с образованием пересыщенных растворов нерастворимых комплексов, которые при попадании в поврежденный участок цементного камня пластовой воды взаимодействуют с ней и образовывают дополнительные нерастворимые структуры кристаллогидратов, заполняющих образовавшиеся дефекты и перекрывающих переток пластовой воды по заколонному пространству.

В научно-технической и патентной литературе ранее не сообщалось, что тампонажный раствор с указанным содержанием компонентов обеспечивает в совокупности, описанные выше свойства, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию «изобретательский уровень».

Для получения предлагаемого тампонажного раствора в лабораторных условиях были использованы следующие вещества:

- портландцемент тампонажный по ГОСТ 1581-2019;

- синтетический полимер на основе полиакриламида, представляющий собой сыпучий сухой порошок белого цвета;

- кремнийорганический полимер, представляющий собой комковатый сухой порошок светло-серого цвета;

- поликарбоксилатный сополимер, представляющий собой сыпучий сухой порошок белого цвета;

- расширяющая добавка на основе оксидов кальция и магния марки ДРС-НУ по ТУ 5744-002-44821376-2010 (изготовитель ООО «НИКОЙЛ») со средним химическим составом, мас.%: CaO+MgO – 72-91; SiO ₂ – 7-23; Al₂O₃ – 0-4; Fe₂ O₃ – 0-2,5; прочие примеси – 0-4,5;

- комплексная минеральная добавка со средним химическим составов, мас. %: нанооксид алюминия Al₂O₃ (со средним размером частиц до 60 нм) – 35-45; тальк молотый по ГОСТ 21234-75 – 25-35; Ca(OH)₂ по ГОСТ 9262-77 – 15-20; CaSO₄·0,5H₂O по ГОСТ 125-2018 – 8-10.

- вода, СанПиН 1.2.3685-21

Пример.

Для приготовления тампонажного раствора было взято и перемешано в сухую смесь 1200 г (100 мас.%) бездобавочного портландцемента высокой сульфатостойкости ПЦТ-I-G-CC-1 ГОСТ 1581-2019; 4,2 г (0,35% сверх 100%) понизителя фильтрации - синтетического полимера на основе полиакриламида; 1,2 г (0,1% сверх 100%) пеногасителя - кремнийорганического полимера; 60 г (5% сверх 100%) расширяющей добавки; 4,8 г (0,4% сверх 100%) пластификатора - поликарбоксилатного сополимера и 12 г (1% сверх 100%) комплексной минеральной добавки.

Из полученной тампонажной смеси готовили тампонажный раствор с водоцементным соотношением 0,45 и определялись основные свойства согласно ГОСТ 1581-2019, а также проводились исследования по оценке самовосстановления цементного камня. Данные об ингредиентном составе и свойствах исследованных тампонажных растворов и формирующего цементного камня приведены в таблице.

В ходе лабораторных испытаний определяли по общеизвестным методикам следующие свойства заявляемого тампонажного раствора: плотность, растекаемость, показатель фильтрации, водоотделение; а также определяли следующие свойства цементного камня: предел прочности при изгибе, линейное расширение и способность к самовосстановлению при контакте с пластовой водой.

Таблица – Свойства тампонажного раствора и цементного камня

Состав, % В/Ц Плотность, г/см³ Растекаемость, мм Время самовосстановления герметичности 3-х каналов диаметром 0,4 мм*, ч Показатель фильтрации при ∆Р=7 атм, мл, см³/30 мин Водоотделение, % Прочность при изгибе, МПа, 2 сут. Линейное расширение, % Портландцемент – 100
Понизитель фильтрации –синтетический полимер на основе полиакриламида – 0,35 сверх 100
Пеногаситель – кремнийорганический полимер – 0,1 сверх 100
Расширяющая добавка – 5,0 сверх 100
Пластифицирующая добавка –поликарбоксилатный сополимер – 0,4 сверх 100
Комплексная минеральная добавка – 1,0 сверх 100 0,45 1,95 250 68 6 0 14,86 2,3 Портландцемент – 100
Понизитель фильтрации – синтетический полимер на основе полиакриламида – 0,5 сверх 100
Пеногаситель – кремнийорганический полимер – 0,15 сверх 100
Расширяющая добавка – 5,0 сверх 100
Пластифицирующая добавка – поликарбоксилатный сополимер – 0,4 сверх 100
Комплексная минеральная добавка – 2,0 сверх 100 0,50 1,89 255 40 9 0 12,38 2,2 Портландцемент – 100
Понизитель фильтрации – синтетический полимер на основе полиакриламида – 0,5 сверх 100
Пеногаситель – кремнийорганический полимер – 0,3 сверх 100
Расширяющая добавка – 3,0 сверх 100
Пластифицирующая добавка – поликарбоксилатный сополимер – 0,2 сверх 100
Комплексная минеральная добавка – 2,0 сверх 100 0,50 1,86 240 44 6 0 11,15 1,9 Портландцемент – 100
Понизитель фильтрации – синтетический полимер на основе полиакриламида – 0,5 сверх 100
Пеногаситель – кремнийорганический полимер – 0,15 сверх 100
Расширяющая добавка – 5,0 сверх 100
Пластифицирующая добавка – поликарбоксилатный сополимер – 0,4 сверх 100
Комплексная минеральная добавка – 3,0 сверх 100 0,55 1,84 270 32 8 0 10,38 2,2 Портландцемент – 100
Понизитель фильтрации – синтетический полимер на основе полиакриламида – 0,4 сверх 100
Пеногаситель – кремнийорганический полимер – 0,15 сверх 100
Расширяющая добавка – 4,0 сверх 100
Пластифицирующая добавка – поликарбоксилатный сополимер – 0,2 сверх 100
Комплексная минеральная добавка – 1,0 сверх 100 0,70 1,69 230 54 10 0 9,89 2,3

Примечание: * - время самовосстановления герметичности каналов в цементном камне определялось на специальной установке, позволяющей прокачивать через образцы пластовую воду при постоянном перепаде давления. Перед испытанием образцы цементного камня выдерживались в воде 7 суток. Прокачивалась пластовая вода хлоркальциевого типа плотностью 1,18 г/см³ с одного из месторождений южной группы Пермского края.

Состав указанной расширяющей добавки для примеров 1 – 5 был следующим, мас. %: CaO+MgO – 82,9; SiO₂ – 12,8; Al₂O₃ – 1,2; Fe₂O₃ – 0,5; прочие примеси – 2,6.

Состав указанной комплексной минеральной добавки для примеров 1 – 5 был следующим, мас. %: нанооксид алюминия Al₂O₃ – 44,3; Тальк молотый – 25,9; гидроксид кальция Ca(OH)₂ – 17,4; полугидрат гипса CaSO₄·0,5H₂O –10,0; прочие примеси – 2,4.

Как видно из данных таблицы, предлагаемые тампонажные растворы характеризуются улучшенными значениями показателей основных технологических свойств по сравнению с прототипом:

- наличием более высокой растекаемости;

- повышенной прочностью при изгибе;

- способностью к самовосстановлению.

Благодаря указанным свойствам, заявляемые тампонажные растворы позволят в промысловых условиях более полно вытеснять буровой раствор тампонажным, получить герметичную крепь обсадной колонны в стволе скважины за счет формирования прочного цементного камня, имеющего за счет расширения сплошной контакт с сопредельными средами и способного восстанавливать герметичность в случае её нарушения в результате технологических операций.

Изобретение может быть использовано при цементировании обсадных колонн. Самовосстанавливающийся тампонажный раствор с регулируемыми технологическими свойствами содержит жидкость затворения – воду и основу. Основа включает портландцемент тампонажный, понизитель фильтрации на основе полиакриламида, пеногаситель на основе кремнийорганического полимера, пластифицирующую добавку на основе поликарбоксилатного сополимера, расширяющую добавку и комплексную минеральную добавку. Комплексная минеральная добавка включает нанооксид алюминия, тальк молотый, гидроксид кальция и полугидрат гипса. Расширяющая добавка представляет собой продукт совместного помола отхода доменного шлака и негашеной извести. Содержание воды в тампонажном растворе обеспечивает водосмесевое соотношение с основой 0,45-0,70. Технический результат изобретения заключается в улучшении изоляционной способности цементного камня, получаемого из предложенного тампонажного раствора. 1 табл., 5 пр.

Тампонажный раствор с регулируемыми технологическими свойствами, содержащий жидкость затворения – воду и основу, состоящую из портландцемента тампонажного, понизителя фильтрации, пеногасителя, пластифицирующей добавки на основе поликарбоксилатного сополимера, расширяющей добавки – продукта совместного помола отхода доменного шлака и негашеной извести среднего химического состава, мас.%:

СаО+МgO 72-91 SiO₂ 7-23 А1₂O₃ 0-4 Fе₂О₃ 0-2,5 прочие примеси 0-4,5

отличающийся тем, что основа дополнительно содержит комплексную минеральную добавку следующего среднего химического состава, мас.%:

Нанооксид алюминия Al₂O₃ 35-45 Тальк молотый 25-35 Гидроксид кальция Ca(OH)₂ 15-20 Полугидрат гипса CaSO₄·0,5H₂O 8-10 Прочие примеси 0-5

в качестве понизителя фильтрации содержит синтетический полимер на основе полиакриламида, в качестве пеногасителя – кремнийорганический полимер при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

Портландцемент тампонажный 100 Синтетический полимер на основе
полиакриламида 0,35-0,5 сверх 100 Кремнийорганический полимер 0,1-0,3 сверх 100 Поликарбоксилатный сополимер 0,2-0,4 сверх 100 Расширяющая добавка 3,0-5,0 сверх 100 Комплексная минеральная добавка 1,0-3,0 сверх 100

а содержание воды в растворе обеспечивает водосмесевое соотношение с основой 0,45-0,70.