сырьевая смесь для получения облегченного тампонажного раствора

Формула изобретения

Сырьевая смесь для получения облегченного тампонажного раствора, включающая тампонажный портландцемент, модифицирующую добавку, облегчающий наполнитель и жидкость затворения, отличающаяся тем, что в качестве модифицирующей добавки содержит комплексную добавку длительной жизнеспособности «Murapor Combi 756», а в качестве наполнителя - полые керамические микросферы при соотношении ингредиентов, мас.%:

Тампонажный портландцемент	38 53,5
Полые керамические микросферы	10,7 22,8
Комплексная добавка «Murapor Combi 756»	0,114 0,16
Жидкость затворения - вода или 2-8%-ный раствор
хлорида натрия или хлорида кальция	Остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области строительства нефтяных и газовых скважин, в частности к составам облегченных тампонажных растворов, предназначенных для крепления обсадных колонн в условиях нормальных и аномально-низких пластовых давлений, а также в интервалах с преобладанием многолетних мерзлых пород.

Изобретение направлено на решение задачи по эффективной герметизации затрубного и межтрубного пространства нефтегазовых скважин при креплении с одновременной защитой многолетних мерзлых пород от растепления в процессе эксплуатации скважин.

Известен тампонажный раствор, включающий портландцемент тампонажный, алюмосиликатные полые микросферы и 4%-ный раствор хлорида кальция, дополнительно содержащий понизитель водоотдачи - комплексный реагент ПС при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: портландцемент тампонажный 52,96-53,09, алюмосиликатные полые микросферы 9,34-9,37, комплексный реагент ПС 0,06-0,31 и 4%-ный раствор хлорида кальция 37,38-37,48. Технический результат - разработка облегченного тампонажного раствора плотностью 1,46 г/см³ с водоотдачей через глинистую корку 20-30 см³ за 30 минут (патент RU 2196876 C2, МПК E21B 33/138) - прототип.

Ближайшим аналогом является разработка в патенте RU 2272125 C1 (МПК E21B 33/138). Предложен облегченный тампонажный раствор, содержащий, мас.%: портландцемент тампонажный 48,46-60,00, алюмосиликатные полые микросферы 6,66-12,11, праестол марки 611 ВС 0,01-0,07, раствор хлорида кальция плотностью 1,03 г/см³ или растворы хлоридов кальция и натрия плотностью 1,03 г/см³ 33,33-41,15. Недостатком указанного аналога является повышенная плотность раствора (1200 1400 кг/м³), и, как следствие, высокая теплопроводность камня, не обеспечивающая теплозащиты мерзлых пород вокруг скважины.

В описанных тампонажных растворах содержится до 12,5 мас.% керамических (алюмосиликатных) микросфер, что не позволяет достичь требуемых низких значений теплопроводности влажного тампонажного материала после затвердевания для возможности его использования в качестве теплозащиты многолетних мерзлых пород от растепления при эксплуатации скважины.

Известен также легкий тампонажный цемент (патент RU 2256774 C2, МПК E21B 33/138), применяемый в качестве строительного материала, в том числе для цементирования нефтяных, газовых и геотермальных скважин, имеющий плотность 1,1-1,4 г/см³, состоящий из смеси одной из марок известного цемента и легковесного наполнителя, который добавляют в количестве 5,0-60,0 мас.% от массы смеси и который состоит из композиции, содержащей полые алюмосиликатные микросферы, каолин и поверхностно-активный гидроксид алюминия. Легковесный наполнитель содержит упомянутые компоненты в следующих количествах, мас.%: полые алюмосиликатные микросферы - 80,0-95,0, каолин - 3,0-15,0, поверхностно-активный гидроксид алюминия - 2,0-5,0. В качестве каолина может быть использован один из известных видов вторичных или обогащенных каолинов, содержащий 30,0-45,0 мас.% Al₂O₃. Поверхностно-активный гидроксид алюминия может быть получен низкотемпературной карбонизацией алюминатных растворов и имеет удельную поверхность 300-500 м ²/г. В качестве одной из марок известного цемента используют портландцемент марки ПЦТ 1-50 или ПЦТ 1-100 или любые цементы, применяемые в строительстве. Данное техническое решение отличается от патентуемой сырьевой смеси наличием в составе раствора каолина в количестве до 15% и поверхностно-активного гидроксида алюминия в количестве до 5%.

В патенте RU 2239050 C1 (МПК E21B 33/138) описан состав для получения однородного облегченного тампонажного раствора плотностью до 1200 кг/м³, способ приготовления тампонажного раствора смешиванием тампонажного цемента с алюмосиликатными микросферами и затворением на жидкости. Предварительно смешивают с микросферами сухой порошкообразный полимерный понизитель водоотдачи в соотношении к массе тампонажного цемента, мас.%: микросферы 10-45, понизитель водоотдачи 0,15-0,45, смесь этих добавок перемешивают с указанным цементом и затем затворяют на жидкости - предварительно приготовленном 0,02-0,08% растворе пеногасителя трибутилфосфата при водотвердом отношении 0,6-0,85. В качестве сухих порошкообразных полимерных понизителей водоотдачи используют сульфоцелл, камцелл, оксиэтилцеллюлозу, поливиниловый спирт, полиакриламид. Данная разработка отличается от предлагаемого технического решения расходом микросфер (до 45% от массы портландцемента) и видом модификаторов.

Состав тампонажного раствора аналогичной плотности представлен в патенте RU 2151267 C1 (МПК E21B 33/138): портландцемент тампонажный 38,89-58,07; алюмосиликатные полые микросферы 6,45-17,14; глинопорошок 0,71-1,78; вода остальное. При затворении тампонажного раствора с облегчающей добавкой - алюмосиликатными полыми микросферами на глинистой суспензии, содержащей глинопорошок и воду, достигается технический результат - снижение плотности тампонажного раствора до 1,25 г/см³ при одновременном увеличении растекаемости раствора, улучшении седиментационной устойчивости и обеспечении остальных технологических параметров раствора и камня. Данная разработка отличается от предлагаемого технического решения расходом микросфер, наличием в составе глинопорошка (до 1,78%) и отсутствием модификаторов.

В патенте EA 003917 B1 (МПК C04B 22/14; C04B 28/02; C04B 28/02) представлен состав облегченного раствора для цементирования нефтяных скважин плотностью в интервале 900 1300 кг/м³. Сырьевая смесь содержит 60 90% (об.) легковесных частиц с размером от 20 мкм до 350 мкм; 10 30% (об.) микроцемента с размером частиц 0,5 5 мкм; 0 20% (об.) с размером частиц 20 50 мкм; 0 30% (об.) гипса. Цементный камень характеризуется пористостью менее 45%. Для получения облегченного раствора могут использоваться полые микросферы, в особенности ценосферы, полые стеклянные микросферы из алюмонатрийборосиликатного стекла, керамические микросферы, полипропиленовые гранулы. Кроме того, указанные растворы могут содержать в своем составе одну или несколько нижеперечисленных добавок: диспергаторы, противоморозные добавки, водоредуцирующие добавки, ускорители и замедлители схватывания, пеногасители. Соотношение компонентов облегчающий наполнитель:микроцемент находится в следующих пределах - от 70:30 до 85:15. При этом процентное соотношение компонентов смеси (по объему) составляет: облегчающий наполнитель с диаметром частиц 100 400 мкм - 50 60%, облегчающий наполнитель с размером частиц 20 40 мкм - 35 40%; микроцемент - 5 20%. Главное отличие данной разработки от патентуемой сырьевой смеси - наличие в составе микроцемента (до 20 об.%) и гипса (до 30 об.%).

Сырьевая смесь для получения облегченного тампонажного раствора включает в себя: тампонажный портландцемент, облегчающий наполнитель (полые керамические микросферы), комплексную добавку и жидкость затворения.

В качестве вяжущего вещества используются портландцементы тампонажные по ГОСТ 1581-96. При нормальных температурах (15 50°C) рекомендуется применять портландцемент тампонажный ПЦТ-I-50 и ПЦТ-II-50, а при умеренных (50 100°C) - ПЦТ-I-100 и ПЦТ-II-100.

Наполнитель представляет собой полые керамические микросферы - КМС производства Фирмы «Стройтек» (г.Ногинск, Московская область) по ТУ-6-48-108-94. Насыпная плотность микросфер - 320 370 кг/м³. Истинная средняя плотность - 750 кг/м³. Средняя плотность материала оболочки микросферы - 2450 кг/м³. Диапазон размеров находится в пределах 40 100 мкм. Наличие в составе смеси микросфер размером менее 60 мкм и более 250 мкм ограничено и не превышает 10%, теплопроводность микросфер 0,08 Вт/м·°C при 20°C. Состав внутренней газовой фазы CO₂~70%, N₂~30%. Предел прочности на сжатие - 15 29 МПа. Твердость оболочки по шкале Мооса 5 6.

В качестве модификатора использовалась комплексная добавка длительной жизнеспособности «Murapor Combi 756» фирмы «MC-Bauchenie Russia» средней плотностью 1,14 1,155 кг/дм³. Комплексная добавка состоит из пластифицирующего компонента на основе сульфированного нафталинформальдегида, воздухововлекающего компонента - лаурилсульфатнатрия и замедлителя схватывания на основе нитрилотриметилфосфоновой кислоты.

В качестве жидкости затворения используется вода или 2 8%-ный водный раствор ускорителя сроков схватывания - хлорида кальция или хлорида натрия.

Расход КМС варьируется в пределах от 20 до 60% от массы портландцемента, расход модификатора 0,15 0,3% от массы портландцемента. Водоцементное отношение в пределах 0,67 1,03.

Таким образом, с учетом водоцементного отношения и расхода микросфер, соотношение компонентов раствора в % от массы сырьевой смеси следующее:

Тампонажный портландцемент	38 53,5%
Полые керамические микросферы	10,7 22,8%
Комплексная добавка «Murapor Combi 756»	0,114 0,16%
Жидкость затворения (вода или 2-8% раствор
хлорида натрия или хлорида кальция)	Остальное

Таблица 1
Составы и свойства облегченных тампонажных растворов с полыми керамическими микросферами
№	Доля компонентов раствора (% от массы цемента)	Доля компонентов раствора (% от массы сырьевой смеси)	В/Ц	р, кг/м3	Сроки схватывания, ч-мин
ПЦТ	КМС	Вода1	МК	ПЦТ	КМС	Вода1	МК	начало	конец
1	100	20	67	0,3	53,47	10,69	35,68	0,16	0,67	1305	2-00	3-05
2	100	30	74	0,3	49,02	14,71	36,123	0,147	0,74	1205	3-05	4-10
3	100	40	85	0,3	44,44	17,78	37,647	0,133	0,85	1119	3-10	4-15
4	100	50	94	0,3	40,98	20,49	38,407	0,123	0,94	1057	3-10	4-40
5	100	60	103	0,3	38,02	22,81	39,056	0,114	1,03	1010	3-15	5-20
6	100	20	67(2)	0,3	53,47	10,69	35,68	0,16	0,67	1309	1-50	3-00
7	100	20	67(8)	0,3	53,47	10,69	35,68	0,16	0,67	1313	1-40	2-45
8	100	40	85(2)	0,3	44,44	17,78	37,647	0,133	0,85	1124	3-00	4-00
9	100	40	85(8)	0,3	44,44	17,78	37,647	0,133	0,85	1128	2-50	3-45
10	100	60	103(2)	0,3	38,02	22,81	39,056	0,114	1,03	1016	3-05	5-00
11	100	60	103(8)	0,3	38,02	22,81	39,056	0,114	1,03	1020	2-45	4-40
12	прототип	52,96	9,34	37,642	0,063	0,66	1464	1-20	2-10
Примечания: p - средняя плотность раствора;
«МК» - комплексная добавка длительной жизнеспособности «Murapor Combi 756».
1 - жидкость затворения, включающая 2 или 8% раствор хлорида натрия или хлорида кальция (проценты концентрации раствора указаны в скобках).
2 - жидкость затворения прототипа включает 4% раствор хлористого кальция.
3 - комплексный реагент ПС.

Таблица 2
Физико-механические и теплофизические характеристики облегченного тампонажного камня с керамическими микросферами
№ п/п	Состав раствора, мас.%	p, кг/м3	к, кг/м3	Rb, МПа	Rbtf, МПа	Rсц, МПа	, Вт/(м·°C)	выс, Вт/(м·°C)
	ПЦТ - 53,47
1	КМС - 10,69	1305	1300	3,36	1,4	2,3	0,54	0,26
	МК - 0,16
	Вода - 35,68
	ПЦТ - 49,02
2	КМС - 14,71	1205	1180	3,5	1,4	1,7	0,44	0,09
	МК - 0,147
	Вода - 36,123
	ПЦТ - 44,44
3	КМС - 17,78	1119	1108	3,54	1,3	1,5	0,45	0,10
	МК - 0,133
	Вода - 37,647
	ПЦТ - 40,98
4	КМС - 20,49	1057	1028	2,95	1,27	1,1	0,38	0,088
	МК - 0,123
	Вода - 38,407
	ПЦТ - 38,02
5	КМС - 22,81	1010	970	2,6	1,25	1,03	0,32	0,085
	МК - 0,114
	Вода - 39,056
	ПЦТ - 53,47
6	КМС - 10,69	1309	1301	3,6	1,5	2,31	0,53	0,26
	МК - 0,16
	Вода1 - 35,68
	ПЦТ - 53,47
7	КМС - 10,69	1313	1303	3,5	1,45	2,28	0,52	0,256
	МК - 0,16
	Вода1 - 35,68
	ПЦТ - 44,44
	КМС - 17,78	1124	1108	3,45	1,28	1,45	0,44	0,11
	МК - 0,133
	Вода1 - 37,647
	ПЦТ - 44,44
9	КМС - 17,78	1128	1112	3,35	1,32	1,4	0,43	0,112
	МК - 0,133
	Вода1 - 37,647
	ПЦТ - 38,02
	КМС - 22,81	1016	976	2,5	1,22	1,05	0,33	0,086
10	МК - 0,114
	Вода1 - 39,056
	ПЦТ - 38,02
11	КМС - 22,81	1020	980	2,55	1,2	1,0	0,325	0,087
	МК - 0,114
	Вода1 - 39,056
	Прототип:
	ПЦТ - 52,96
12	КМС4 - 9,34	1464	1450	3,92	1,5	2,15	0,69	0,38
	Вода2 - 37,64
	ПС3 - 0,06
Примечания: p - средняя плотность раствора;
к - средняя плотность камня;
Rb - предел прочности на сжатие;
Rbtf - предел прочности на растяжение при изгибе;
Rсц - прочность сцепления со сталью;
- теплопроводность камня во влажном состоянии;
выс - теплопроводность камня в высушенном состоянии.
1 - жидкость затворения, включающая 2 или 8% раствор хлорида натрия или хлорида кальция (проценты концентрации раствора указаны в скобках).
2 - жидкость затворения прототипа включает 4% раствор хлористого кальция.
3 - комплексный реагент ПС.
4 - алюмосиликатные полые микросферы.

Облегченный тампонажный материал с керамическими микросферами приготавливается и закачивается с использованием традиционного цементировочного оборудования.

Технический эффект - получение облегченного тампонажного раствора с КМС средней плотностью 1010 1300 кг/м³ в зависимости от расхода микросфер и их насыпной плотности с прочностью тампонажного камня на растяжение при изгибе - не ниже 1,2 МПа в возрасте 2 сут. Коэффициент теплопроводности тампонажного камня в сухом состоянии 0,085 0,26 Вт/(м·°C).

Облегченные теплоизоляционные тампонажные растворы с КМС имеют повышенную однородность во времени: не расслаиваются, отсутствует всплытие микросфер и отстой воды. Такие растворы не требуют обязательного использования высокомолекулярных полимерных стабилизирующих добавок. Свойства

Таблица 3
Основные свойства тампонажных растворов с КМС
Средняя плотность раствора, кг/м3	1000	1100	1200	1300
Средняя плотность в сухом состоянии, кг/м3	800	900	1000	1100
Прочность при сжатии, МПа, не менее	2,6	2,8	6,5	7,5
Прочность при изгибе, МПа, не менее	1,2	1,3	1,5	2
Морозостойкость, циклы, не менее	35	50	75	75
Теплопроводность в сухом состоянии, Вт/м·°C	0,085	0,09	0,11	0,20

тампонажных материалов предлагаемых составов выгодно отличаются от облегченных тампонажных материалов с фильтроперлитом - ФП, вспученным вермикулитовым песком - ВВП, вспученным перлитовым песком - ВПП, полимерными полыми микросферами - ПМС и полыми стеклянными микросферами - ПСМС.

По сравнению с ближайшим аналогом достигнут технический результат, заключающийся в пониженной плотности раствора 1000 кг/м³ против 1300 кг/м³ у аналога, при сохранении прочности на сжатие и изгиб. За счет этого снижается теплопроводность тампонажного камня, что обеспечивает предотвращение растепления горных пород вокруг скважины.

Разработанный раствор можно использовать в качестве пассивной теплозащиты многолетних мерзлых пород от растепления и, одновременно, как тампонажный материал в различных горно-геологических условиях.

Применение предлагаемого теплозащитного материала дает возможность значительно снизить трудовые, энергетические, материальные и финансовые затраты при строительстве, повысить надежность при эксплуатации нефтяных и газовых скважин.