ТАМПОНАЖНЫЙ СОСТАВ Российский патент 2024 года по МПК C09K8/467 E21B33/138 C04B28/22 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, в частности к тампонажным смесям, предназначенным для цементирования нефтегазовых, гидрогеологических и геотермальных скважин, перекрывающих интервалы проницаемых пластов при нормальных и повышенных температурах.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ Тампонажный цемент предназначен для изоляции обсадных труб и кольцевого затрубного пространства скважин различного назначения. Тампонажный состав также выполняет функцию защиты ствола скважины от давления грунтовых вод и межпластовых флюидов, негативного воздействия агрессивных сред, таких как сероводород, углекислый газ и др. При затвердевании тампонажный раствор образует газо-, водо- и нефтенеопроницаемый цементный камень. Применение тампонажного состава при цементировании скважин необходимо для безопасной эксплуатации и долговечности скважин различного назначения.

Из уровня техники известна композиция для обработки скважины (RU 2733554 С1, опубл. 05.10.2020), содержащая водный носитель, поддающуюся набуханию наноглину и твердую двухвалентную неорганическую соль с замедленным высвобождением, содержащую кальцинированный оксид магния, кальцинированный оксид кальция, кальциево-магниевое полифосфатное стекло, или комбинацию, содержащую по меньшей мере одно из вышеуказанного. Недостатком известной композиции является сложность промышленного приготовления и внедрения композиции на месторождениях полезных ископаемых в больших объемах.

Известна способная к схватыванию композиция (RU 2404143 С2, опубл. 20.11.2010), включающая которая включают воду, цементную печную пыль и добавку, которая выбрана из группы, состоящей из сланца, цеолита, шлакового цемента, метакаолин. Технический результат - повышение эффективности внутрискважинного цементирования. Недостатком известного тампонажного материала является недостаточное время схватывания цементных композиций до 70 Вс.

Из уровня техники известен композиционный состав тампонажной смеси для цементирования колонн в буровых скважинах (RU 2286374 С2, опубл. 27.10.2006), содержащий магнезит каустический, суперфосфат двойной, крахмальный реагент, триполифосфат натрия и воду, в качестве цементирующей основы он содержит шлам-отход производства магния при следующим соотношении компонентов, масс, долях: указанный отход производства магния 1,0, магнезит каустический 0,14-0,76, суперфосфат двойной 0,2, крахмальный реагент 0,007, триполифосфат натрия 0,06, вода 0,6-1,0. Технический результат - удешевление производства цементирования глубоких скважин за счет использования в тампонажной смеси отходов магниевого производства, улучшение качества цементирования, а также частичное решение экологической проблемы утилизации отходов магниевого производства. Недостатками данного состава являются сложность промышленного применения, вследствие долгой технологической цепочки приготовления однородногосостава в больших объемах.

Известен тампонажный фиброраствор (RU 2289697 С1, опубл. 20.12.2006), включающий цемент, глину, фибры и воду, в качестве фибр содержит синтетические волокна диаметром 0,1-0,15 мм и длиной 10-20 мм в количестве 10-20 кг на 1 м3 глиноцементной смеси, подвергнутые электризации с наведением статического электрического заряда. Технический результат - обеспечение возможности тампонирования крупных трещиноватых систем с активным притоком воды, повышение прочности тампонажного материала, снижение материальных затрат при упрочнении трещиноватых пород и ликвидация водопритоков в горные выработки. Недостатками данного состава являются сложность промышленного применения, вследствие предварительной электризации волокон перед закачкой тампонажного фиброраствора в скважину в больших объемах.

В качестве прототипа выбран тампонажный состав для изоляции зон интенсивного поглощения (RU 2542063 С1, опубл. 22.10.2013), включающий портландцемент, полуводный гипс, глину, пенообразователь и воду. При этом тампонажный состав дополнительно содержит хлорид кальция, гидроксиэтилцеллюлозу и инертную добавку, при этом в качестве глины состав содержит палыгорскитовый, или монтмориллонитовый, или каолиновый термомеханически активированный глинопорошок, а в качестве пенообразователя - анионактивное или амфотерное поверхностно-активное вещество ПАВ, при следующем соотношении компонентов, мас.ч: портландцемент 76,0-91,9; полуводный гипс 4,0-16,0; указанный глинопорошок 4,0-20,0; инертная добавка 0,1-4,0; указанный пенообразователь 0,1-0,5; хлорид кальция 4,0-12,0; гидроксиэтилцеллюлозу 0,1-0,2 и при водотвердом соотношении 0,6-1,0, при этом смесь портландцемента, полуводного гипса, указанного глинопорошока и инертной добавки составляет 100 мас.ч. Технический результат, достигаемый предлагаемым изобретением, заключается в повышении степени изолирующих свойств предлагаемого состава при изоляции интервалов поглощения скважинных жидкостей в пористых, кавернозных, трещиноватых породах, с раскрытием проводящих каналов от 1 мм до 10 мм, за счет пониженной плотности и высокой тиксотропии состава, а также за счет образования неразмываемого и непроницаемого цементного камня с высокими адгезионными свойствами к породе и повышенными прочностными характеристиками Недостатками прототипа являются низкая устойчивость тампонажного состава к повышенным температурам, высокое водотвердое отношение и низкая растекаемсть, а также сложность приготовленения в связи с большим количеством добавок.

Описываемое изобретение обеспечит удешевление процесса цементирования скважин различного назначения за счет использования в тампонажном растворе пуццолановой добавки, улучшающей эффективность цементирования, а также уменьшающей количество выбросов углекислого газа в атмосферу при производстве цемента.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ Технической задачей, стоящей перед изобретением, является повышение качества цементного кольца скважин различного назначения в условиях нормальных и повышенных температур, продлевая рабочий период скважин с помощью внедряемых добавок. Техническим результатом является улучшение эффективности цементирования при повышенных температурах.

Указанный технический результат достигается за счет того, что тампонажный состав включает высокосульфатостойкий тампонажный портландцемент класса G, пуццолановую добавку в виде метакаолина, диспергатор CFR-3 и/или замедлитель схватывания HR-5, добавку для снижения водоотдачи HALAD-322 и воду при следующем соотношении компонентов, масс. %:

Тампонажный портландцемент - 30,0-64,9;

Пуццоланновая добавка - 5,1-35,0;

Замедлитель схватывания и/или диспергатор 0,1-1,5;

Добавка для снижения водоотдачи 0,1-1,0;

Вода - остальное.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Заявляемый тампонажный состав для повышения прочности цементного камня для крепления скважин включает в себя следующие реагенты и товарные продукты, их содержащие:

• Высокосульфатостойкий тампонажный портландцемент по спецификации API 10А, класс G тип HSR или ПЦТ I-G-CC-1 ГОСТ 1581-2019 - 30,00-65,00;

• Метакаолин ГОСТ Р 59536-2021 - 5,00-35,00;

• Диспергатор CFR™-3 производства компании Halliburton Energy Services, Inc. и/или замедлитель схватывания HR®-5, Halliburton Energy Services, Inc. 0,1-1,5.;

• Добавка для снижения водоотдачи HALAD-322 производства компании Halliburton Energy Services, Inc. -0,1-1,0;

• Вода - остальное.

Замедлитель схватывания HR-5 является лигносульфоновой добавкой (см. RU 2460870 С2, опубл. 10.09.2012), диспергатор CFR-3 представляет собой сульфонированный ацетон-формальдегидный конденсат (см. RU 2637347 С2, опубл. 04.12.2017), а добавки для снижения водоотдачи HALAD-322 известна из US5127473, опубл. 07.07.1992).

Высокосульфатостойкий тампонажный портландцемент по спецификации API 10А, класс G тип HSR (ПЦТ I-G-CC-1 ГОСТ 1581-2019) имеет ряд преимуществ, а именно повсеместную доступность, одновременно как укрепляющие, так изолирующие и гидроизолирующие свойства. Высокосульфатостойкий тампонажный портландцемент применяется для цементирования обсадных колонн нефтяных и газовых скважин, в том числе глубоких высокотемпературных и паронагнетательных скважин с температурой свыше 110°С. Составы из высокосульфатостойкого тампонажного портландцемента отличаются отличными структурно-реологическими свойствами, особенно при нормальных и пониженных температурах. Цементные смеси на основе высокосульфатостойкого тампонажного портландцемента значительно превосходят в этом отношении стандартный тампонажный портландцемент. Использование предлагаемого тампонажного состава позволяет связать портландцемент, минеральную добавку и воду, а также сформировать требуемые свойства тампонажного состава и, тем самым, обеспечить его эффективность в условиях нормальных и повышенных температур. Метакаолин - высокоактивная пуццолановая добавка, получаемая при обжиге глин с последующим помолом. Основной компонент метакаолина - силикат алюминия. Метакаолин активно применяется как составляющее строительных материалов для получения повышенных физико-механических и эксплуатационных свойства при пониженных расходах не только цемента, как основного вяжущего, но и улучшающих добавок - пластификаторов.

Оптимальное содержание пуццоланновой добавки при цементировании скважин в повышенных и высоких температурах составляет от 20,00 до 35,00 масс. %. При увеличении содержания пуццоланновой добавки более 35,00 масс. % ухудшаются структурно-реологические свойства тампонажного состава. Более того, при повышенном содержании метакаолина без добавления диспергатора невозможно замерить структурно-реологические свойства. Содержание пуццоланновой добавки менее 5,00 масс. % не приводит к значительному изменению технологических параметров тампонажного состава и улучшению эксплуатационных свойств тампонажного состава.

Тампонажный состав приготавливается следующим образом. Вначале для регулирования гомогенности сухих компонентов необходимо перемешать порошкообразные составляющие: высокосульфатостойкий тампонажный портландцемент и пуццоланновую добавку в течение 15 мин±1 мин, после чего добавляется необходимое количество добавок замедлителя схватывания и диспергатора (либо один из указанных компонентов), а также добавку для снижения водоотдачи. Вся смесь хорошо перемешивается в течение 3 мин±30 с. Затем контейнер для смешивания с подготовленной водой перемешивают на скорости 4000 об/мин±200 об/мин (66,7 об/с±3,3 об/с) в течение не более 15 с, после чего добавляют смесь цемента и указанных выше добавок к требуемой массе воды затворения и продолжают перемешивание на скорости 12000 об/мин±500 об/мин (200 об/с±8,3 об/с) в течение 35 с±1 с в соответствии со стандартом Американского Нефтяного Института (API Recommended Practice 10 В-2) / стандартом Международной организации по стандартизации (ISO 10426-2).

Тампонажные составы, содержащие различное содержания компонентов, приведены в таблице 1. Структурно-реологические свойства заявляемого тампонажного состава приведены в таблице 2.

Пример 1

Для приготовления тампонажного состава (таблица 1, состав 11) смешивают следующие компоненты в мас. %: 34,6 высокосульфатостойкий тампонажный портландцемент класса G; 34,6 метакаолина; 0,1 диспергатор CFR-3, 0,1 добавки для снижения водоотдачи HALAD-322; 0,1 замедлителя схватывания HR-5 и 30,6 воду. В первую очередь смешивают высокосульфатостойкий тампонажный портландцемент с метакаолином в течение 15 мин. После чего в готовую смесь добавляют диспергатор CFR-3, добавку для снижения водоотдачи HALAD-322 и замедлитель схватывания HR-5, а затем перемешивают в течение 3 мин. Далее в воду добавляют порошкообразную смесь из указанных компонентов и приготавливают тампонажный состав с водоцементном отношении 0,44 при скорости перемешивания 12000 об/мин в течение 35 с. Полученный тампонажный состав обладает следующими свойствами: предел текучести (фунт/100 футов2), водоотделение (мл), время загустевания до консистенции 70 Вс (мин).

Приготовленный тампонажный состав имеет пластическую вязкость 73 сП, предел текучести 51 фунт/100 футов², время загустевания до консистенции 70 Вс 530 мин и водоотделение 516 мл при температуре 27°С.

С повышением температуры измерений до 50°С тампжный состав имеет пластическую вязкость 67 сП, предел текучести 66 фунт/100 футов², время загустевания до консистенции 70 Вс 268 мин и водоотделение 806 мл.

При температуре 80°С - пластическую вязкость 63 сП, предел текучести 101 фунт/100 футов², время загустевания до консистенции 70 Вс 237 мин и водоотделение 952 мл.

Пример 2

Тампонажный состав получают, как в примере 1, за исключением того, что смешивают компоненты тамонажного состава при следующем соотношении масс. % (состав 1 в таблице 1): высокосульфатостойкий тампонажный портландцемент класса G 64,9; метакаолин 5,1; 0,1 диспергатор CFR-3, 0,1 добавки для снижения водоотдачи HALAD-322 и вода -29,8. Получившуюся смесь приготавливают также, как в примере 1. Структурно-реологические свойства приведены в таблице 2.

Пример 3

Тампонажный состав получают, как в примере 1, за исключением того, что смешивают компоненты тамонажного состава при следующем соотношении масс. % (состав 18 в таблице 1):

Высокосульфатостойкий тампонажный 30,0 портландцемент Метакаолин 35,0 Замедлитель схватывания HR-5 1,5 Добавка для снижения водоотдачи HALAD-322 1,0 Вода 32,5

Структурно-реологические свойства приведены в таблице 2.

Применение предлагаемого тампонажного раствора позволит расширить область применения тампонажной смеси для цементирования скважин, эффективное заполнение кольцевого затрубного простраства при нормальных и повышенных температурах, а также снизить отрицательный экологический фактор производства цемента.

Таким образом, заявленный тампонажный состав позволяет повысить качество цементирования обсадных колонн и долговечность работы скважин в условиях нормальных и повышенных температур.

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, в частности к тампонажным смесям, предназначенным для цементирования нефтегазовых, гидрогеологических и геотермальных скважин, перекрывающих интервалы проницаемых пластов при нормальных и повышенных температурах. Техническим результатом является улучшение эффективности цементирования при повышенных температурах. Тампонажный состав включает высокосульфатостойкий тампонажный портландцемент, пуццолановую добавку в виде метакаолина, диспергатор CFR-3 и/или замедлитель схватывания HR-5, добавку для снижения водоотдачи HALAD-322 и воду, при следующем соотношении компонентов, масс. %: высокосульфатостойкий тампонажный портландцемент - 30,0-64,9; метакаолин - 5,1-35,0; указанные замедлитель схватывания и/или диспергатор - 0,1-1,5; указанная добавка для снижения водоотдачи - 0,1-1,0; вода - остальное. 2 табл., 3 пр.

Тампонажный состав, включающий высокосульфатостойкий тампонажный портландцемент, пуццолановую добавку в виде метакаолина, диспергатор CFR-3 и/или замедлитель схватывания HR-5, добавку для снижения водоотдачи HALAD-322 и воду, при следующем соотношении компонентов, масс. %:

Высокосульфатостойкий тампонажный портландцемент - 30,0-64,9;

Метакаолин - 5,1-35,0;

Указанные замедлитель схватывания и/или диспергатор - 0,1-1,5;

Указанная добавка для снижения водоотдачи - 0,1-1,0;

Вода - остальное.