тампонажный материал и способ получения тампонажного раствора на его основе

Формула изобретения

1. Тампонажный материал, включающий портландцемент тампонажный и расширяющую добавку - продукт совместного помола высокоглиноземистого шлака и двуводного гипса, отличающийся тем, что он содержит 17,6-28,0% расширяющей добавки от массы порошка портландцемента тампонажного, а расширяющая добавка дополнительно содержит порошок магнезитовый каустический, при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:

Порошок магнезитовый каустический	33-50
Высокоглиноземистый шлак	29-39
Гипс двуводный	21-28,

причем размер частиц добавки характеризуется остатком на сите 0,08 мм в количестве 10-12%.

2. Способ получения тампонажного раствора на основе тампонажного материала по п.1, включающий раздельное приготовление базового тампонажного раствора портландцемента и воды и водного раствора расширяющей добавки, с последующим их смешиванием, отличающийся тем, что при приготовлении базового тампонажного раствора в воду предварительно вводят хлорид натрия в количестве 4% от массы портландцемента, а для приготовления водного раствора расширяющейся добавки используют продукт совместного помола порошка магнезитового каустического, высокоглиноземистого шлака и двуводного гипса с размером частиц, характеризуемых остатком на сите 0,08 мм в количестве 10-12%, а время перемешивания водного раствора расширяющей добавки составляет не менее 25 мин и не более 2/3 времени его загустевания.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к расширяющимся тампонажным материалам на основе портландцемента с высокими изоляционными характеристиками при отсутствии свободного доступа к ним воды в процессе их затвердевания в условиях низких и нормальных температур и может быть использовано при цементировании обсадных колонн в скважинах различного назначения.

Известен тампонажный материал на основе портландцемента тампонажного (ПЦТ), в котором в качестве расширяющей добавки используют порошок магнезитовый каустический марки ПМК-75 по ГОСТ 1216-87 в количестве от 10 до 25% к его массе. Тампонажный материал готовят затворением сухой смеси тампонажного портландцемента и расширяющей добавки водой [Данюшевский B.C., Алиев P.M., Толстых И.Ф. Справочное руководство по тампонажным материалам. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1987. - с.373, стр.161].

Раствор этого тампонажного материала характеризуется повышенными значениями водоотделения, имеет удлиненные сроки схватывания, а формирующийся цементный камень невысокую прочность и не имеет достаточного расширения и самонапряжения в условиях отсутствия свободного доступа к нему вод, что не позволяет обеспечить высокое качество цементирования обсадных колонн в скважинах.

Наиболее близким к предлагаемому тампонажному материалу является тампонажный материал на основе портландцемента тампонажного (ПЦТ), в котором в качестве расширяющей добавки используют гипсо-глиноземистый расширяющийся цемент (ГТРЦ), являющийся продуктом совместного помола высокоглиноземистого шлака (ВГШ) и двуводного гипса в соотношении 3:1.

Способ приготовления этого тампонажного материала включает приготовление сухой смеси ПЦТ и ГГРЦ в соотношении 75-85 и 25-15 мас.% соответственно с последующим затворением ее водой [Данюшевский B.C., Алиев P.M., Толстых И.Ф. Справочное руководство по тампонажным материалам. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1987. - с.373; стр.157].

Этот тампонажный материал при закачке его в скважину обеспечивает достаточное самонапряжение и расширение цементного камня только при наличии свободного доступа воды к нему в процессе затвердевания. В условиях отсутствия свободного доступа к нему вод, формирующийся цементный камень не имеет достаточного расширения и самонапряжения, что не позволяет обеспечить высокое качество цементирования обсадных колонн в скважинах, сформировать плотный герметичный контакт с трубами обсадной колонны и горными породами стенок скважины и гарантированным обеспечением высокого качества крепи скважины. Кроме того, этот тампонажный материал, характеризуется высоким темпом роста консистенции с момента его затворения, что, в ряде случаев, делает невозможным размещение тампонажного материала за обсадной колонной в технологически необходимые сроки.

Признаки известного тампонажного материала, являющиеся общими с предлагаемым тампонажным материалом, - тампонажный материал, включающий портландцемент тампонажный и расширяющую добавку - продукт совместного помола ВГШ и двуводного гипса.

Наиболее близким к предлагаемому способу приготовления тампонажного материала является способ приготовления тампонажного материала, в котором в качестве расширяющей добавки используют глину в виде предварительно приготовленной суспензии (раствора) с последующим смешиванием ее с раствором тампонажного портландцемента [Булатов А.И., Данюшевский B.C. Тампонажные материалы: Учебное пособие для вузов. - М: Недра, 1987, с.280; стр.169].

Однако тампонажный материал, полученный указанным известным способом, характеризуется отсутствием объемного расширения цементного камня, удлиненными сроками схватывания, пониженной механической прочностью и не обеспечивает формирование напряженного контакта с ограничивающими поверхностями, как в условиях свободного доступа воды, так и при его отсутствии.

Признаки известного способа приготовления тампонажного материала, являющиеся общими с предлагаемым способом, - способ получения тампонажного раствора, включающий раздельное приготовление базового тампонажного раствора с использованием портландцемента и воды и водного раствора расширяющей добавки с последующим их смешиванием.

Недостатки известного тампонажного материала и способа его приготовления препятствуют получению высокого качества крепления скважин в условиях отсутствия свободного доступа к нему вод в интервалах плотных, непроницаемых пород и в межколонном пространстве. Следствием некачественного крепления скважин является нарушение технологических схем разработки нефтяной залежи, а также наличие серьезных экологических проблем при разработке нефтегазовых месторождений.

Задачей изобретения является разработка тампонажного материала на основе портландцемента тампонажного и способа получения тампонажного раствора, обеспечивающих высокое качество крепления скважин в межколонном пространстве и в интервалах залегания плотных, непроницаемых горных пород в условиях низких и нормальных температур при отсутствии доступа воды к твердеющему цементному камню.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в получении расширяющегося тампонажного материала, раствор которого характеризуется пониженными значениями консистенции и приемлемым водоотделением, а формирующийся в условиях отсутствия свободного доступа воды цементный камень характеризуется повышенной прочностью, является расширяющимся и самонапрягающимся.

Задача изобретения была решена за счет того, что известный тампонажный материал, включающий портландцемент тампонажный и расширяющую добавку - продукт совместного помола ВГШ и двуводного гипса, содержит 17,6-25,0% расширяющей добавки от массы порошка портландцемента тампонажного, а расширяющая добавка дополнительно содержит магнезитовый каустический порошок, при следующем соотношении компонентов, масс.ч.:

Порошок магнезитовый каустический	- 33-50
Высокоглиноземистый шлак	- 29-39
Гипс двуводный	- 21-28,

причем размер частиц добавки характеризуется остатком на сите 0,08 мм в количестве 10-12%.

Также задача была решена за счет того, что в известном способе получения тампонажного раствора на основе предлагаемого тампонажного материала, включающем раздельное приготовление базового тампонажного раствора с использованием портландцемента и воды и водного раствора расширяющей добавки с последующим их смешиванием, при приготовлении базового тампонажного раствора в воду предварительно вводят хлорид натрия в количестве 4% от массы портландцемента, а для приготовления водного раствора расширяющей добавки используют продукт совместного помола магнезитового каустического порошка, высокоглиноземистого шлака и двуводного гипса с размером частиц, характеризуемых остатком на сите 0,08 мм в количестве 10-12%, а время перемешивания водного раствора расширяющей добавки составляет не менее 25 минут и не более 2/3 времени его загустевания.

Признаки заявляемого тампонажного материала, являющиеся отличительными от прототипа: тампонажный материал содержит 17,6-25,0% расширяющей добавки от массы порошка портландцемента тампонажного, а расширяющая добавка дополнительно содержит магнезитовый каустический порошок, при следующем соотношении компонентов, масс.ч.:

Порошок магнезитовый каустический	- 33-50
Высокоглиноземистый шлак	- 29-39
Гипс двуводный	- 21-28,

причем размер частиц добавки характеризуется остатком на сите 0,08 мм в количестве 10-12%.

Признаки заявляемого способа получения тампонажного раствора, являющиеся отличительными от способа по прототипу, - при приготовлении базового тампонажного раствора в воду предварительно вводят хлорид натрия в количестве 4% от массы портландцемента, а для приготовления водного раствора расширяющей добавки используют продукт совместного помола магнезитового каустического порошка, высокоглиноземистого шлака и двуводного гипса с размером частиц, характеризуемых остатком на сите 0,08 мм в количестве 10-12%, а время перемешивания водного раствора расширяющей добавки составляет не менее 25 минут и не более 2/3 времени его загустевания.

Для приготовления расширяющей добавки используют следующие сухие вещества:

- порошок магнезитовый каустический по СТО 72664728-003-2008 (ранее ГОСТ 1216-87);

- высокоглиноземистый шлак по ТУ 14-11-137-76;

- камень гипсовый по ГОСТ 4013-82.

Указанные компоненты подвергают совместному измельчению до тонкости помола, характеризуемой остатком на сите 0,08 мм в количестве 10-12%.

Для приготовления тампонажного раствора готовят водный раствор (суспензию) подготовленной смеси расширяющей добавки путем затворения ее водой при непрерывном перемешивании. В процессе приготовления водного раствора расширяющей добавки в результате химического взаимодействия порошка магнезитового каустического и гипсоглиноземистой составляющей, на поверхности частиц последней происходит формирование труднорастворимых комплексов, что приводит к резкому замедлению скорости образования гидросульфоалюминатов в приготовляемом растворе расширяющегося тампонажного материала. Это препятствует загущению тампонажного раствора в начальный период его структурообразования, а также обеспечивает в период твердения расширение формирующегося цементного камня и уплотнение контакта его с ограничивающими поверхностями без подпитки водой извне.

Отдельно готовят базовый тампонажный раствор на основе портландцемента путем затворения его сухой составляющей (порошка ПЦТ) водой, в которую предварительно вводят хлорид натрия.

Далее полученный базовый тампонажный раствор смешивают и расширяющей добавкой. Полученный таким образом тампонажный раствор характеризуется приемлемыми значениями водоотделения и низкими значениями консистенции в течение времени проведения процесса цементирования. После размещения приготовленного тампонажного раствора в скважине происходит его ускоренное схватывание и твердение с образованием высокопрочного расширяющегося цементного камня, формирующего напряженный контакт с ограничивающими поверхностями в условиях отсутствия подпитки его водой извне.

Способ получения тампонажного раствора в промысловых условиях осуществляется следующим образом:

- в смесительно-осреднительной емкости, оборудованной перемешивающим устройством, готовится водный раствор предлагаемой расширяющей добавки путем затворения ее водой при непрерывном перемешивании полученной суспензии;

- с использованием цементно-смесительного агрегата и осреднительной емкости готовится и осредняется базовый тампонажный раствор на основе портландцемента путем затворения его сухой составляющей (порошка ПЦТ) водой с добавкой хлорида натрия;

- после приготовления базового раствора и дополнительного перемешивания раствора расширяющей добавки производится их смешивание, осреднение и закачка полученного раствора конечного состава в скважину.

Время перемешивания заготовленного водного раствора расширяющей добавки определяется, с одной стороны, общим временем приготовления базового раствора, составляющего не менее 25 минут, с другой стороны - временем безопасного проведения работ с его использованием, составляющего 2/3 от времени начала загустевания.

Примеры конкретного выполнения.

В таблице 1 приведен состав тампонажного раствора, приготовленного способом по прототипу; в таблице 2 - приведены составы тампонажных растворов, приготовленные предлагаемым способом.

У приготовленных тампонажных растворов определялись водоотделение и значения консистенции через 5 и 60 минут, соответствующих начальному этапу и окончанию процесса цементирования обсадной колонны в скважине.

Далее определялись значения показателей свойств цементного камня, твердевшего в течение двух суток при температуре 20-22°C, характеризующих его пригодность для формирования в стволе скважины герметичной крепи в условиях, исключающих свободный доступ воды к цементному камню в процессе его затвердевания:

- предел прочности при изгибе;

- прочность сцепления с внешней огибающей металлической поверхностью;

- объемное расширение от начала схватывания.

Определение значений показателей свойств тампонажных материалов осуществлялось в соответствии с требованиями отраслевого стандарта ОСТ 39-051-77 «Раствор тампонажный. Методы испытаний. М., 1978» и методикой проведения исследований [Данюшевский B.C., Алиев P.M., Толстых И.Ф. Справочное руководство по тампонажным материалам. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1987. - с.259-262].

Из данных таблицы 1 видно, что раствор тампонажного материала по прототипу через 60 минут перемешивания имеет высокие, близкие к предельным значения консистенции. Формирующийся в условиях отсутствия доступа воды к нему цементный камень, содержащий указанные добавки, не является расширяющимся и характеризуется невысокими значениями прочности на изгиб и сцепления с внешней огибающей металлической поверхностью.

Из таблицы 2 (составы 2-4) видно, что предлагаемый тампонажный материал обеспечивает получение пониженных значений консистенции и приемлемых значений водоотделения тампонажного раствора, а формирующийся цементный камень имеет повышенные значения увеличения объема и прочности при изгибе и сцепления его с внешней огибающей поверхностью в условиях отсутствия свободного доступа к нему воды в сравнении с известным способом ее применения.

Содержание в тампонажном материале менее 17,6% расширяющей добавки при низком содержании в ней порошка магнезитового каустического не обеспечивает получение тампонажного материала с удовлетворительными значениями консистенции (состав 1).

Содержание в тампонажном материале более 25% расширяющей добавки при высоком содержании в ней порошка магнезитового каустического приводит к резкому росту сроков схватывания и водоотделения тампонажного раствора, а также к снижению прочностных характеристик формирующегося цементного камня (состав 5).

Преимуществом предлагаемого тампонажного материала является то, что приготовленный на его основе тампонажный раствор имеет низкие значения консистенции и приемлемые значения водоотделения, а формирующийся расширяющийся цементный камень высокой прочности обеспечивает напряженный контакт с огибающими поверхностями в условиях отсутствия доступа к нему воды. Этим достигается существенное улучшение качества цементирования межколонного пространства и интервалов непроницаемых пород, являющихся естественными водоупорами, что позволит:

- свести к минимуму вероятность возникновения межколонных проявлений и перетоков флюидов в затрубном пространстве скважин;

- повысить надежность и долговечность работы скважины;

- снизить экологические риски, обусловленные межпластовыми проявлениями;

- осуществлять оценку состояния во времени крепи скважины за внешней (второй) обсадной колонной геофизическими методами.