Утяжеленный тампонажный раствор Советский патент 1991 года по МПК E21B33/138 

Изобретение относится к цементированию нефтяных и газовых скважин, в частности к тампонажным растворам для цементирования скважин с аномально высокими пластовыми давлениями (АВПД).

Цель изобретения - понижение водоотдачи и повышение седиментационной устойчивости раствора.

Утяжеленный тампонажный раствор с низкой водоотдачей содержит тампонажный цемент, воду, натр едкий, триксан. понизитель водоотдачи - лигносульфонат технический и структурообразователь - кальций хлористый при следующем соотношении компонентов, мае.ч.:

Тампонажный цемент100

Вода18-34

Натр едкий0,01 - 2,0

Триксан0.1-0,125

Технический лигносульфонат10 - 12,5 Хлористый кальций 0,01-0,5 Эффективность снижения водоотдачи тампонажных растворов при введении ЛСТ по сравнению с ССБ при одинаковых условиях испытания иллюстрируется табл.1 До дозировки в 3% воздействие реагентов на водоотдачу примерно одинаковое. При добавке реагентов 3% и более наблюдается резкое различие в их воздействии. Водоотдача тампонзжных растворов с ЛСТ становится меньше по сравнению с растворами с ССБ в 17-21 раз. Ещё большее преимущество ЛСТ по сравнению с ССБ проявляется при 80°С В этом случае водоотдача растворов с ЛСТ меньше, чем с ССБ в 34 раза.

В табл.2 приведены данные о седимен- тационном водоотделении утяжеленных тампонажных растворов из УШЦ1-120 при постоянном жидкостчо-цементном отношесл

с

о. сл М о

нии 0,32 в зависимости от добавок ЛСТ, в который для предупреждения вспенивания растворов введен 1% триксана от массы добавки ЛСТ.

Из данных табл.2 можно сделать вывод, что при дозировке ЛСТ более 0,5% седи- ментационное водоотделение резко увеличивается и превышет нормы (4%). установленные для утяжеленных лортланд- цементов.

При добавлении 4-8% ССБ от массы цемента резко замедляется схватывание цементных растворов при температурах ниже 100°С, поэтому в известном тампонаж- ном растворе вводится в качестве ускорителя кальций хлористый в количестве 1%, Одновременно установлено, что при этом на 20-30% увеличиваете водоотдача.

В табл.3 показано влияние кальция хлористого на седиментационное водоотделение и водоотдачу утяжеленных растворов с ЛСТ и триксаном, приготовленых из УШЦ1- 120 с жидкостно-цементным отношением J.33, Необходимо отметить что увеличение добавки кальция хлористого наряду со зна- чительным повышением водоотдачи (ма два

-,р.;дка) одновреме IHPTC.K . ое ж о снижзседимен гационн ;-е о.м Х-г.геление за счет интенсивного структ урообразовзния, о чем свидетельствует снижение растекаемо- сти растворов.

В тампонажных растворах дня высоко- температурных кальций хлористый используется не как известный ускоритель схватывания, а как реагент, понижающий водоотделение. Для vcKopeHna схватывания применяется натр едкий который не снижает растекаемость тампонажного раствора При этом оптимальная добавка кальция хлористого, сохраняющая высокую подвижность тампонажного раствора и снижающая седиментационное водоотделение, находится в пределах 0,01 - 0,5% от массы цемента.

Приготовление растворов осуществляют следующим образом

В зависимости or необходимой плотности тампонажных растворов и температурных условий их применения цементы смешивают между собой или используют в чистом виде, ЛСТ смешивают с триксаном В воде последовательно растворяют натр едкий, кальций хлористый, ЛСТ с триксз- ном.

После смешивания цемента с водой, содержащей реагенты, в течение 3 мин на лабораторной мешалке перемешивание продолжают еще 30 мин, т е в течение вре5рии необходимого г,г ч порим нчтп приго

1 I П О 1 г п - 11 I i-i

промысловых условиях. Составы тампонажных растворов приведены в табл.4.

Затем раствор испытывают на консистометре. Время загустевания определяют

при испытании раствора по двум режимам, имитирующим его движение в скважине при прямом цементировании потайных обсадных колонн в интервале 3500 - 5500 м, подвешиваемых на цементном камне, при

забойных геостатических температурах 100 и 160° С. которым соответствуют динамические температуры 80 и 130°С.

При первом режиме, соответствующем геостатической температуре 100°С, тампонажный раствор перемешивают в консисто метре с подъемом температуры и давления в автоклаве с 20 до 80°С и с атмосферного до 50 МПа 40 мин. После чего температуру и давление не меняют в течение 45 мин

Затем снижают температуру до 35°С и давление до атмосферного.

При втором режиме испытания пробы тампонажного раствора в консистометре перемешивают при плавном повышении

температуры от 20 до 130°С (динамическая 1емпература в самой нагретой зоне у шза цементируемой колонны) и давления от ат мосферного до 100 МПа в течение 50 мин. а затем при постоянных температуре 130°С и

давлении 100 МПа еще 50 мин. После чего выдерживают раствор в статическом состоянии при 130°С и 100 МПа 15 мин. а затем перемешивание продолжают дальше в течение 80 мин, но при снижении температуры

до 50°С, а давления до атмосферного.

Свойство утяжеленных тампонажных растворов с пониженной водоотдачей приведены в табл.5.

Из данных, помещенных в табл.4 и 5,

видно, что благодаря пластифицирующим свойствам ЛСТ утяжеленные растворы плотностью 1,95 - 1,97 г/см3 могут быть получены из обычного портландцемента ПЦТ-Д20, а из цемента УГЦ-1 можно приготовить растворы плотностью 2,30 г/см3 Растворы промежуточной плотности 2,15 - 2,16 г/см получаются из смеси УЦГ-1 с ПЦТ-Д20

В табл.5 показано, что добавка ЛСТ с

триксаном (раствор 1) снижает водоотдачу в 14 раз по сравнению с раствором без добавок (табл.1).

Увеличение дозировки ЛСТ с триксаном (растворы 2 и 3) способствуют снижению

водоотдачи в 4 - 5 раз по сравнению с раствором 1. При этом водоотделение раство- рое 1 - 3 возрастает до 16 - 19%

Довольно быстрое начало схватывания

II про до .ьчое его окончание, можно

, ги .- { блз оцзря не :дению гидрофильного поверхностно-активного вещества (Л СТ), вызывающего два противоположных по своему действию эффекта - пептизационный и стабилизационный.

При определенном содержании в цементном растворе ЛСТ возможно преобладание пептизационного эффекта. В таком случае резкое ускорение при весьма продолжительном его окончании начала схватывания вызывается преимущественно пептизацией алюминатных минералов, т.е. быстрым образованием в больших количествах трехкальциевого алюмината в виде коллоидной фазы, создающей рыхлую коа- гуляционную структуру. Этим и объясняется меньшая степень различия между началом и концом схватывания (растворы 11,13 и 14) у смеси тампонажного портландцемента с цементом на шлаковой основе ШПЦС-120, содержащей меньшее количество алюминатных минералов по сравнению с портландцементом.

Введение в тампонажный раствор 4 кальция хлористого, хорошо известного ускорителя, не только не сокращает сроки схватывания, а наоборот, отодвигает их наступление примерно вчетверо, а окончание сроков схватывания вдвое, что вызывает необходимость добавки в качестве ускорителя натра едкого. Зато введение 0,5 мае.ч. кальция хлористого позволяет довести седимен- тационное водоотделение тампонажного раствора практически до нуля. При этом, как показано (табл.3), происходит некоторое увеличение водоотдачи раствора, хотя по абсолютному значению она весьма не велика и составляет 6,6 см3 за 30 мин.

Введением в тампонажный раствор 5 (табл.5) в качестве понизителя водоотдачи ЛСТ в количестве 10,1376 мас.ч., стабилизирующего реагента - кальция хлористого 0,5 мас.ч. и ускорителя процессов схватывания и твердения натра едкого можно получить седиментационно устойчивый тампонажный раствор с весьма низкой водоотдачей 4,5 см за 30 мин, превращающийся через 2 сут в камень, превышающий по прочности камень из стандартных утяжеленных цементов в 3,5 раза.

В табл.5 показано, что такие же по се- диментационной устойчивости тампонаж- ные растворы с низкой водоотдачей и высокой прочностью образующегося камня, но с большей плотностью 2,15 г/см3 (раствор 7) и 2,30 г/см3 (раствор 9) могут быть

получены из смеси УЦГ-1 и ПЦТ-Д20 и чистого УЦГ-1.

Для геостатической температуры 160°С и соответствующей ей динамической температуре 130°С из-за недостаточной термостойкости описанные тампонажные растворы не пригодны.

В таких условиях могут быть использованы тампонажные растворы, приготовленные из цементов на шлаковой основе или их смеси с портландцементом.

Следует отметить, что у тампонажных растворов с широким диапазоном плотностей 1,95 - 2,30 г/см3 водоотделение почти

отсутствует и водоотдача во всех случаях составляет 3,5 - 11.0 см3 за 30 мин (табл.5, растворы 5, 7. 9. 14. 16 и 18).

Так как ЛСТ в тампонажных растворах одновременно с понижением водоотдачи

замедляет их схватывание, то с понижением температуры применения, в определенной степени нейтрализующей это его действие, необходимо увеличение содержания ЛСТ в растворах до 12,1770 мас.ч.. это также свяэано со снижением вредного влияния на водоотдачу добавок кальция хлористого и натра едкого.

Использование утяжеленного тампонажного раствора с низкой водоотдачей

и повышенной седиментационной устойчивостью позволяет повысить качество цементирования и предотвратить газонеф- тепроявления. имеющие место при цементировании обсадных колонн и их секций.

спущенных в отложения с аномально высокими пластовыми давлениями.

Формула изобретения Утяжеленный тампонажный раствор. включающий тампонажный цемент, воду, хлористый кальций и понизитель водоотдачи, отличающийся тем, что, с целью понижения водоотдачи и повышения седиментационной устойчивости раствора, он дополнительно содержит иеногаситель - триксан и натр едкий, а в качестве понизителя водоотдачи технический лигносульфо- нат при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:

Тампонажный цемент100

Вода18-34

Хлористый кальЦий0,01-0,5

Технический лигносуль- фонат10.0-12,5

Пеногаситель - триксан 0,1-0,125 Натр едкий0,01-2,0

Таблица 1

Изобретение относится к бурению. Цель- понижение водоотдачи и повышение седи- ментационной устойчивости. Раствор содержит компоненты в соотношении, мас.%: тампонажный цемент 100, вода 18-34, хлористый кальций 0,01-0,5, технический лиг- носульфонат 10,0-12,5; триксан 0,1-0,125; натр едкий 0,01-2.0. Добавки растворяют в воде, затем на ней затворяют цемент. Хлористый кальций стабилизирует раствор при относительно высоком содержании лигно- сульфоната. Натр едкий выполняет роль ускорителя, триксан снижает вспенивание. Раствор имеет плотность 1,93-1,30 г/см3 5 табл.

Примечание. Для тамлонажных растворов, которые дегидратируют менее чем за 30 мин, для удобства сравнения приведена расчетная условная водоотдача.

Таблица 2

Постоянное водоцементное отношение 0,35.

Таблица 3

Таблица 4

Таблица 5

Продолжение табл. 5