ОБЛЕГЧЕННЫЙ ЦЕМЕНТНО-ТАМПОНАЖНЫЙ БЕЗУСАДОЧНЫЙ РАСТВОР Российский патент 2024 года по МПК C09K8/467 E21B33/138 C04B28/02 C04B38/08 C04B14/02 C04B103/20 C04B103/32 C04B111/20 

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, в частности к тампонажным растворам, предназначенным для цементирования интервалов скважин, обусловленных наличием слабосцементированных горных пород с аномально низким пластовым давлением, низким градиентом гидроразрыва (не менее 0,0130 МПа/м) и умеренными пластовыми температурами (75-90°С).

Известна облегченная тампонажная смесь, относящаяся к креплению нефтяных и газовых скважин с аномально низким пластовым давлением - АНПД, 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].

Недостатком известного изобретения являются низкие реологические характеристики (высокая растекаемость раствора), что впоследствии приводит к уменьшению объемного показателя (усадка) получаемого камня.

Известен облегченный тампонажный раствор, используемый при цементировании нефтяных и газовых скважин, осложненных наличием пластов с аномально низкими пластовыми давлениями (АНПД), мас. %: клинкер - 50; гипс - 2,5, трепел - 35; запечная пыль с электрофильтров - 12,5; ПОХА - 1,3-1,5% сверх 100%, при водоцементном отношении - 1,3 [RU 2230883 С2, МПК Е21В 33/138, опубл. 20.06.2004].

Недостатком известного изобретения является отсутствие возможности достижения плотности раствора ниже 1300 кг/м³, без значительного ухудшения показателей раствора и камня.

Известна цементная тампонажная облегченная смесь, используемая для приготовления тампонажных растворов при цементировании нефтяных и газовых скважин и может быть использована в нефтедобывающей, газодобывающей промышленности, строительстве и других областях деятельности, мас. %: портландцемент тампонажный 65,9-69,5; водорастворимый полимер 0,1-0,5; комплексная минеральная добавка - КМД-СО следующего химического состава, мас. %: SiO₂ 55,0-70,0; Al₂O₃ 16,0-25,0; Fe₂O₃ 1,0-4,0; СаО 10,0-20,0; MgO 0,1-3,5; Na₂O 0,1-1,4; К₂O 0,2-3,5; TiO₂ 0,6-1,5 с размером частиц не более 500 мкм - остальное [RU 2399643 С1, МПК С09К 8/467, опубл. 20.09.2010].

Недостатками известного изобретения являются длительный период гидратации раствора и недостаточная прочность камня.

Техническая проблема, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении качества цементирования интервалов скважин, обусловленных наличием слабосцементированных горных пород с аномально низким пластовым давлением, низким градиентом гидроразрыва (не менее 0,0130 МПа/м) и умеренными пластовыми температурами (75-90°С).

Техническим результатом является разработка облегченного цементно-тампонажного безусадочного раствора с плотностью 1300±50 кг/м³, характеризующегося высокой седиментационной устойчивостью, безусадочностью и расширяющейся способностью камня, обеспечивающего повышение качества крепления скважин.

Указанный технический результат достигается тем, что облегченный цементно-тампонажный безусадочный раствор содержит портландцемент тампонажный типа ПЦТ-I-G-CC-l, микроцемент, безусадочную добавку, в качестве которой используют порошок магнезитовый каустический ПМК-83, облегчающие добавки, в качестве которых используют алюмосиликатные микросферы марки Гранулайт-2500 минералогического состава, мас. %: стекло 12-15, муллит 50-53, кварц 32-38, и стеклянные микросферы марки Granulight GS, микрокремнезем конденсированный марки МК-85 или комплексную минеральную добавку КМД-Н следующего химического состава, мас. %: SiO₂ 50,0-65,0, СаО 1,0-4,0, MgO 0,3-2,0, Na₂O не более 4,0, SO₃ не более 1,0, пластификатор марки EasyFLOW AF, представляющий собой продукт поликонденсации ацетона с формальдегидом, замедлитель - нитрилотриметилфосфоновая кислота НТФ, жидкость затворения, в качестве которой используют техническую воду, при следующем соотношении указанных компонентов, мас. %:

портландцемент тампонажный типа ПЦТ-1-G-CC-l 27,264-36,353 микроцемент 0,526-9,088 порошок магнезитовый каустический ПМК-83 6,048-9,089 указанные алюмосиликатные микросферы 1,818-9,072 указанные стеклянные микросферы 3,635-5,453 микрокремнезем конденсированный МК-85 или комплексная минеральная добавка КМД-Н 1,636-7,816 указанный пластификатор 0,061-0,182 нитрилотриметилфосфоновая кислота НТФ 0,018-0,030 жидкость затворения - техническая вода 39,311-47,356

Достижение указанного технического результата обеспечивается за счет количественного и качественного сочетания компонентов в заявляемом облегченном цементно-тампонажном безусадочном растворе и с совокупностью необходимых физико-химических процессов, происходящих при формировании камня.

Наличие микронизированного цемента (микроцемент) инициирует (ускоряет) процесс гидратации раствора.

Функциональным назначением порошка магнезитового каустического в составе заявляемого раствора является обеспечение безусадочности камня.

Стеклянные и алюмосиликатные микросферы, а также зола КМД-Н в заявляемом растворе выполняют функцию снижения плотности.

Аморфный микрокремнезем в составе заявляемого раствора обеспечивает стабилизацию параметров раствора.

Наличие пластификатора и замедлителя в составе заявляемого раствора выполняют функции увеличения текучести и сроков схватывания раствора.

Заявляемое количественное соотношение компонентов позволяет получить облегченный тампонажный раствор обладающий высокой седиментационной устойчивостью и расширяющейся способностью камня. Вследствие чего заявляемое изобретение потенциально позволяет решить техническую проблему в повышении качества цементирования интервалов скважин, обусловленных наличием слабосцементированных горных пород с аномально низким пластовым давлением, низким градиентом гидроразрыва (не менее 0,0130 МПа/м) и умеренными пластовыми температурами (75-90°С).

Приготовление предлагаемого облегченного цементно-тампонажного безусадочного раствора осуществляют с использованием следующих компонентов:

- микронизированный цемент (микроцемент) по ТУ 5739-021-80338612-2014, который предназначен для строительства скважин, упрочнения массивов грунтов, железобетонных и каменных конструкций. К микроцементам относятся продукты с размером частиц менее 20 микрон и с удельной поверхностью свыше 650 м²/кг.Микроцемент изготавливается путем тонкого измельчения и классификации тампонажного цемента ПЦТ-I-G-CC-l ГОСТ 1581-2019 (портландцемент тампонажный (ПЦТ), бездобавочный, с нормированными требованиями при водоцементном отношении, равном 0,44 (I-G), высокой сульфатостойкости) или портландцемента типа ЦЕМ I 42,5 Н (портландцемент типа ЦЕМ I, класса прочности 42,5, нормальнотвердеющий) ГОСТ 31108-2020 с добавлением сульфатостойких добавок;

- порошок магнезитовый каустический марки ПМК-83 по ГОСТ 1216-87, предназначен для химической, энергетической, стекольной и других отраслей промышленности. Представляет собой высокоактивную модификацию оксида магния; Порошок по физико-химическим показателям и зерновому составу должен соответствовать следующим нормам: массовая доля (на абсолютно сухое вещество), % MgO, не менее 83; СаО, не более 2,5; SiO₂, не более 2,5; изменение массы при прокаливании, не более 8%; массовая доля влаги, 1,3%;

- микросферы марки Гранулайт-2500 по ТУ 5712-010-80338612-2008, производитель ООО «Гранула», 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. Кажущаяся плотность - 0,65-0,85 г/см³. Размер частиц не более 350 мкм. 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. Микросферы образуются при сжигании каменного угля, выделяемые сепарацией методом флотации и последующей технологической обработкой;

- стеклянные микросферы Granulight GS по ТУ 5759-039-80338612-2015, производитель ООО «Гранула», характерными свойствами являются низкая истинная плотность 0,35-0,39 г/см³. Основу продукта производитель не раскрывает. Указанный компонент выбран и применен в составе предлагаемого тампонажного раствора в качестве облегчающей добавки основываясь на ранее полученных результатах лабораторных испытаний при приготовлении составов тампонажных растворов [RU 2802474 С1, опубл. 29.08.2023];

- комплексная минеральная добавка марки КМД-Н по ТУ 5712-011-80338612-2008, производитель ООО «Гранула», предназначена для изготовления тампонажных цементных смесей, буровых растворов, применяют в качестве легких заполнителей в бетоны, сухие строительные и цементные смеси. Комплексная минеральная добавка КМД-Н следующего химического состава, мас. %: SiO₂ 50,0-65,0; СаО 1,0-4,0; MgO 0,3-2,0; Na₂O не более 4,0; SO₃ не более 1,0. Кажущаяся плотность 1,6-1,8 г/см³. Массовая доля влаги не более 2%, потеря массы при прокаливании не более 3,0%;

- аморфный микрокремнезем конденсированный марки МК-85 по ТУ 14-142-023-00186476-2020 - предназначен для применения в качестве высокоактивной минеральной добавки к бетону и цементу, поставляется в неуплотненной форме. 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. Микрокремнезем конденсированный неуплотненный получается путем отбора материала с рукавных фильтров систем газоочистки печей, выплавляющих кремнийсодержащие сплавы. Внешний вид -ультрадисперсный порошок серого цвета;

- пластификатор марки EasyFLOW AF по ТУ 2458-027-33217677-2017 представляет собой продукт поликонденсации ацетона с формальдегидом, предназначен для снижения вязкости и улучшения прокачиваемости тампонажных растворов, а также для снижения гидродинамических давлений при цементировании обсадных колонн. Представляет собой темно-красный порошок с массовой долей влаги не более 10%;

- нитрилотриметилфосфоновая кислота НТФ химической формулы C₃H₁₂NO₉P₃, представляет собой кристаллический сыпучий порошок по ГОСТ 6318-77, предназначением в предлагаемом техническом решении является замедление процесса гидратации раствора в начальном периоде.

Технологические свойства раствора и камня определялись в соответствии с ГОСТ 34532-2019 «Цементы тампонажные. Методы испытаний».

Облегченный цементно-тампонажный безусадочный раствор в лабораторных условиях готовили следующим образом.

Вначале в заданных соотношениях смешивают сухие компоненты, полученный материал тщательно перемешивают вручную для гомогенизации. Затем производят затворение материала технической водой в смесителе лабораторном СЛ-1 согласно ГОСТ 34532-2019 и определяют технологические свойства полученного раствора и сформированного камня.

Пример. Для приготовления предлагаемого раствора (таблица, состав 1) необходимо: 35,747 мас. % портландцемента тампонажного марки ПЦТ-1-G-CC-l; 0,606 мас. % микроцемента; 7,271 мас. % порошка магнезитового каустического марки ПМК-83; 6,059 мас. % алюмосиликатных микросфер марки Гранулайт-2500; 4,847 мас. % стеклянных микросфер марки Granulight GS; 5,877 мас. % микрокремнезема конденсированного МК-85; 0,182 мас. % пластификатора марки EasyFLOWAF; 0,030 мас. % замедлитель марки НТФ, взвешенные сухие компоненты перемешивают до получения гомогенной смеси. Далее из полученной тампонажной смеси приготавливают тампонажный раствор путем затворения смеси 39,381 мас. % технической водой. Затворение производят на лабораторном смесителе СЛ-1. После перемешивания в течение трех минут определяют плотность (кг/м³) и растекаемость (мм). Далее приготовленный раствор заливают в цилиндры для определения водоотделения (мл) и в ячейку консистометра для определения время загустевания (мин) при температуре 89°С и давлении 0,1 МПа. Оставшуюся часть раствора заливают в формы-кубики (50×50×50) для определения предела прочности камня (МПа) при сжатии и форму расширения ПР-50 хранят в течении 24 часов при температуре 89°С и давлении 0,1 МПа.

Приготовленный раствор обладает следующими параметрами: плотность 1,30 г/см³, растекаемость 231 мм, водоотделение 0,0%, время загустевания до 30 Вс составляет 201 мин, предел прочности камня при сжатии 14,6 МПа, расширение камня составило 0,3%.

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

Как видно из представленной таблицы (составы 1-15), заявляемый облегченный цементно-тампонажный безусадочный раствор, включающий портландцемент тампонажный марки ПЦТ-1-G-CC-1, микроцемент, порошок магнезитовый каустический марки ПМК-83, алюмосиликатные микросферы марки Гранулайт-2500, стеклянные микросферы марки Granulight GS, микрокремнезем конденсированный марки МК-85 или комплексная минеральная добавка КМД-Н, пластификатор марки EasyFLOW AF, замедлитель НТФ, в качестве жидкости затворения используют техническую воду, при указанном соотношении компонентов превосходит известные аналоги, а именно характеризуется способностью к расширению и оптимальными прочностными значениями.

Для выявления отличительных признаков и заявляемого технического результата изменяли массовые соотношения компонентов (таблица, составы 16-19). В случае запредельных соотношений компонентов предлагаемого раствора приготавливаемые растворы характеризуются способностью к усадке камня 0,3% по причине седиментационной не устойчивости раствора (более 0,5%, таблица, состав 18).

Таким образом, с учетом показателей раствора/камня, заявляемый облегченный цементно-тампонажный безусадочный раствор обеспечивает повышение качества цементирования интервалов скважин, обусловленных наличием слабосцементированных горных пород с аномально низким пластовым давлением, низким градиентом гидроразрыва (не менее 0,0130 МПа/м) и умеренными пластовыми температурами (75-90°С).

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, в частности к тампонажным растворам, предназначенным для цементирования интервалов скважин, обусловленных наличием слабосцементированных горных пород с аномально низким пластовым давлением, низким градиентом гидроразрыва (не менее 0,0130 МПа/м) и умеренными пластовыми температурами (75-90°С). Облегченный цементно-тампонажный безусадочный раствор содержит, мас. %: портландцемент тампонажный марки ПЦТ I-G-CC-1 27,264-36,353; микроцемент 0,526-9,088; порошок магнезитовый каустический ПМК-83 6,048-9,089; алюмосиликатные микросферы марки Гранулайт-2500 1,818-9,072; стеклянные микросферы марки Granulight GS 3,635-5,453; микрокремнезем конденсированный МК-85 или комплексную минеральную добавку КМД-Н 1,636-7,816; пластификатор марки EasyFLOW AF 0,061-0,182; замедлитель НТФ 0,018-0,030; жидкость затворения 39,311-47,356. Обеспечивается повышение качества крепления скважин за счет получения облегченного цементно-тампонажного безусадочного раствора с плотностью 1300±50 кг/м³, характеризующегося высокой седиментационной устойчивостью, безусадочностью и расширяющейся способностью камня. 1 табл.

Облегченный цементно-тампонажный безусадочный раствор, характеризующийся тем, что содержит портландцемент тампонажный типа ПЦТ-1-G-CC-1, микроцемент, безусадочную добавку, в качестве которой используют порошок магнезитовый каустический ПМК-83, облегчающие добавки, в качестве которых используют алюмосиликатные микросферы марки Гранулайт-2500 минералогического состава, мас. %: стекло 12-15, муллит 50-53, кварц 32-38 и стеклянные микросферы марки Granulight GS, микрокремнезем конденсированный марки МК-85 или комплексную минеральную добавку КМД-Н следующего химического состава, мас.%: SiO₂ 50,0-65,0, СаО 1,0-4,0, MgO 0,3-2,0, Na₂O не более 4,0, SO₃ не более 1,0, пластификатор марки EasyFLOW AF, представляющий собой продукт поликонденсации ацетона с формальдегидом, замедлитель нитрилотриметилфосфоновая кислота НТФ, жидкость затворения, в качестве которой используют техническую воду, при следующем соотношении указанных компонентов, мас. %:

портландцемент тампонажный типа ПЦТ-1-G-CC-1 27,264-36,353 микроцемент 0,526-9,088 порошок магнезитовый каустический ПМК-83 6,048-9,089 указанные алюмосиликатные микросферы 1,818-9,072 указанные стеклянные микросферы 3,635-5,453 микрокремнезем конденсированный МК-85 или комплексная минеральная добавка КМД-Н 1,636-7,816 указанный пластификатор 0,061-0,182 нитрилотриметилфосфоновая кислота НТФ 0,018-0,030 жидкость затворения - техническая вода 39,311-47,356