Патент на изобретение №2399643

(54) ЦЕМЕНТНАЯ ТАМПОНАЖНАЯ ОБЛЕГЧЕННАЯ СМЕСЬ

(57) Реферат:

Изобретение относится к тампонажным смесям, используемым для приготовления тампонажных растворов при цементировании нефтяных и газовых скважин и может быть использовано в нефтедобывающей, газодобывающей промышленности, строительстве и других областях деятельности. Технический результат – понижение плотности, водоотделения и скорости фильтрации, повышение прочности и адгезионных характеристик. Цементная тампонажная облегченная смесь содержит, 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; Аl₂О₃ 16,0-25,0; Fе₂О₃ 1,0-4,0; CaO 10,0-20,0; MgO 0,1-3,5; Na₂O 0,1-1,4; K₂O 0,2-3,5; TiO₂ 0,6-1,5 с размером частиц не более 500 мкм – остальное. Изобретение развито в зависимых пунктах формулы. 3 з.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к тампонажным смесям, используемым для приготовления тампонажных растворов при цементировании нефтяных и газовых скважин, и может быть использовано в нефтедобывающей, газодобывающей промышленности, строительстве и других областях деятельности.

Известен тампонажный материал, включающий портландцемент, расширяющуюся добавку, гипс, ускоритель твердения, пластификатор, в качестве расширяющейся добавки содержит, по крайней мере, одну добавку из группы: глиноземистый, сульфоалюминатный цемент, алюминатсодержащие отходы-шлаки от производства ферротитана, ферробора, вторичной переплавки алюминия, в качестве пластификатора – смесь триэтаноламина и кремнеземсодержащей добавки многофункционального действия – КМХ в соотношении от 1:1 до 1:10 и облегчающую добавку, в качестве которой используют алюмосиликатные микросферы, или микрокремнезем, или вспученный вермикулит, или вспученный перлит при следующем соотношении компонентов тампонажного материала, мас.%: расширяющаяся добавка 2-15; гипс 7-9; ускоритель твердения 2-8; указанный пластификатор 0.3-0.8; облегчающая добавка 3-10; портландцемент – остальное. В качестве ускорителя твердения тампонажный материал может содержать хлористую соль щелочного или щелочноземельного элементов (патент RU 2235857, МПК 7 Е21В 33/138, 10.09.2004 г.).

Известный тампонажный материал предназначен для цементирования нормальных температурных газонефтяных скважин. Недостатком данного вяжущего является недостаточно низкая плотность тампонажного раствора, а также невысокие прочностные и адгезионные характеристики цементного камня, что отрицательно сказывается на качестве крепления скважин.

Известна облегченная тампонажная смесь, которая включает следующие компоненты, мас.%: портландцемент тампонажный 72,7-81,0, алюмосиликатные микросферы 11,7-14,6, микрокремнезем конденсированный неуплотненный МК-85 в качестве понизителя скорости фильтрации 4,9-9,7, гранулированный хлорид кальция 2,4-3,1 (патент RU 2255205, МПК 7 Е21В 33/138, 27.06.2005 г.).

Указанная смесь характеризуется повышенными прочностными характеристиками цементного камня и низкими показателями фильтрации, при этом минимально возможная плотность тампонажного раствора составляет 1350 кг/м³, что не достаточно низко для крепления большего количества эксплуатационных колонн скважин, строящихся в условиях АНПД. Кроме того, указанный тампонажный состав формирует безусадочный камень с недостаточными адгезионными характеристиками вследствие отсутствия эффекта расширения.

Наиболее близким аналогом к изобретению по своей технической сущности, который и выбран в качестве прототипа, является тампонажный раствор, который содержит ингредиенты в следующем соотношении, мас.%: портландцемент тампонажный 36,47-57,34; алюмосиликатные полые микросферы 6,47-17,65; карбоалюминатная добавка 1,18-2,67; гипс 1,18-2,67; вода или 4%-ный раствор хлористого кальция – остальное (патент RU 2151271, МПК 7 Е21В 33/138, 03.09.1999 г.).

Указанная смесь характеризуется достаточно низкой плотностью тампонажного раствора (до 1240 кг/м³), но при этом обладает недостаточной адгезией в начальный период твердения, повышенным водоотделением и повышенной скоростью фильтрации тампонажного раствора. Кроме того, наблюдается повышенное пенообразование, что затрудняет его затворение в промысловых условиях.

Задачей изобретения является разработка тампонажной смеси с низкой плотностью, обладающей пониженными значениями водоотделения и скоростью фильтрации, а также повышенными прочностными и адгезионными характеристиками цементного камня.

Сущность изобретения заключается в том, что заявляется тампонажная смесь, содержащая портландцемент тампонажный с целевыми добавками, которая, в отличие от известного, в качестве добавки содержит комплексную минеральную добавку (КМД-СО) следующего химического состава, мас.%: SiO₂ 55,0-70,0; Al₂O₃ 16,0-25,0; Fe₂O₃ 1,0-4,0; CaO 10,0-20,0; MgO 0,1-3,5; Na₂O 0,1-1,4; К₂О 0,2-3,5; TiO₂ 0,6-1,5 и водорастворимый полимер при следующем соотношении компонентов, мас.%:

портландцемент тампонажный	65,9-69,5
водорастворимый полимер	0,1-0,5
указанная комплексная минеральная добавка КМД-СО
с размером частиц не более 500 мкм	остальное

Предлагаемая комплексная минеральная добавка КМД-СО выпускается в промышленном масштабе по ТУ 5712 – 011 – 80338612-2008 и состоит из частиц разного фракционного состава: частицы мелкой фракции (до 10 мкм) добавки КМД-СО за счет высокой удельной поверхности (не менее 12 м²/г) обеспечивают стабилизацию тампонажного раствора, частицы крупной фракции (от 100 до 500 мкм) за счет низкой насыпной (не более 450 кг/м³) и кажущейся плотности (не более 0,85 г/см³) обеспечивают свойства облегчающей добавки в составе КМД-СО, а частицы средней фракции (от 10 до 100 мкм) за счет преобладания в составе углекислого кальция и углекислого магния обеспечивают свойства активных наполнителей, активизирующих процесс твердения и расширения тампонажного раствора и камня.

Комплексная минеральная добавка КМД – СО, введенная в указанных количествах в состав цементной смеси, позволяет обеспечить:

– снижение плотности тампонажного раствора до минимальных значений;

– расширение тампонажного камня, что улучшает его адгезионные характеристики;

– повышение прочности цементного камня за счет усиления гидравлических свойств портландцемента;

– уменьшение проницаемости камня, что также повышает прочность цементного камня.

В качестве портландцемента используют портландцементы, удовлетворяющие требованиям ГОСТ 1581-96, например марки ПЦТ 1-50 или марки ПЦТ I-G-СС-1.

В качестве водорастворимого полимера может быть использован, например, сульфацелл-2 или карбооксиэтилцеллюлоза (КМЦ) или оксиэтилцеллюлоза (ОЭЦ) или иной известный аналогичный водорастворимый полимер.

Введение водорастворимого полимера в заявляемых количествах позволяет в сочетании с указанной комплексной минеральной добавкой снизить водоотделение тампонажного раствора и скорость фильтрации.

Сравнение предлагаемой композиции с прототипом позволяет сделать вывод о том, что заявляемая композиция отличается новыми добавками, обеспечивающими достижение новых свойств. Вышеизложенное позволяет сделать вывод о соответствии заявленного решения критерию «новизна».

В науке и технике широко известны различные алюмосиликатные добавки в качестве добавок, облегчающих цементную смесь. Вместе с тем, известные составы цементных смесей с различными добавками не позволяют повысить прочность и обеспечить хорошие адгезионные свойства при одновременном снижении плотности цементной смеси. Предлагаемый состав тампонажной смеси за счет входящих в него ингредиентов в указанных количествах позволяет обеспечить получение нового технического результата – снижение плотности тампонажного раствора до минимально допустимых значений с одновременным повышением прочности цементного камня, улучшением его адгезионных характеристик, а также снижением водоотделения и скорости фильтрации тампонажного раствора.

Комплексная добавка SiO₂ 55,0-70,0; Al₂O₃ 16,0-25,0; Fe₂O₃ 1,0-4,0; CaO 10,0-20,0; MgO 0,1-3,5; Na₂O 0,1-1,4; К₂О 0,2-3,5; TiO₂ 0,6-1,5 (мас.%), вводимая в заявляемый состав в сочетании с добавкой водорастворимого полимера, приводит к улучшению основных свойств цементного раствора, позволяя решить поставленную задачу. Химический состав комплексной минеральной добавки отличается от обычных алюмосиликатных микросфер соотношением оксида кремния и оксида алюминия, повышенным содержанием оксида кальция и оксида железа и, дополнительно, наличием оксида титана. Высокая удельная поверхность частиц мелкой фракции добавки позволяет добиться стабилизации тампонажного раствора (понижения водоотделения и скорости фильтрации), повышенное содержание оксида кальция обеспечивает повышенную адгезию цементного камня. Химический состав вводимой комплексной минеральной добавки и ее размеры (не более 500 мкм) обеспечивают низкую насыпную и кажущаюся плотности, что позволяют снизить плотность получаемого цементного раствора и повысить прочность конечного продукта.

Вышеизложенное позволяет сделать вывод о том, что заявленная совокупность существенных признаков, являясь новой по качественному и количественному содержанию ингредиентов, позволяет получить новый технический результат, т.е. заявляемое техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень».

Предлагаемая композиция может быть изготовлена известными в промышленности способами из известных материалов, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «промышленная применимость».

Приготовление предлагаемых тампонажных смесей ведут следующим способом.

Необходимое количество комплексной минеральной добавки смешивают с цементом, затем добавляют водорастворимый полимер в заданных соотношениях.

Из полученной сухой цементной тампонажной смеси готовят тампонажный раствор путем добавления воды. В процессе затворения смеси добавляют пеногаситель – трибутилфосфат (ТБФ).

Сравнительные данные свойств известного и предлагаемых составов приведены в таблице 2. Примеры 1-3 – по изобретению, пример 4 – по прототипу.

В представленных экспериментальных данных использовали портландцемент тампонажный ПЦТ I-50 ГОСТ 1581-96 ОАО «Сухоложскцемент», комплексную минеральную добавку КМД-СО по ТУ 5712 – 011 – 80338612-2008, следующего химического состава, мас.%: SiO₂ 55,0-70,0; Al₂O₃ 16,0-25,0; Fe₂O₃ 1,0-4,0; CaO 10,0-20,0; MgO 0,1-3,5; Na₂O 0,1-1,4; K₂O 0,2-3,5; TiO₂ 0,6-1,5, с размером частиц не более 500 мкм, водорастворимый полимер сульфацелл-2 ТУ 6-55-221-1473-97, пеногаситель – трибутилфосфат (ТБФ) ТУ 2435-305-05763458-2001.

На базе полученной тампонажной смеси был приготовлен тампонажный раствор и испытан при креплении 11 эксплуатационных нефтяных скважин на Вать-Еганском месторождении Западной Сибири.

Пример получения тампонажной смеси и применения тампонажного раствора.

Для цементирования эксплуатационной колонны скважины на Вать-Еганском месторождении (интервал цементирования 0-2400 м), на базе цеха крепления скважин в смесительной камере предварительно была приготовлена сухая цементная тампонажная смесь состава:

– портландцемент тампонажный – 31 188 кг (67,8 мас.%);

– комплексная минеральная добавка КМД-СО – 14720 кг (32,0 мас.%);

– водорастворимый полимер (сульфацелл-2)- 92 кг. (0,2 мас.%)

Компоненты перемешиваются в течение 30-40 мин, и приготовленная гомогенная смесь осушенным сжатым воздухом подается в цементовозы или бункеры смесительных машин. При водоцементном отношении 0,85 было произведено затворение смеси, ТБФ – 46 кг (0,1 мас.%) добавлялся в раствор при затворении смеси. Плотность тампонажного раствора составила 1250 кг/м³.

После ожидания затвердевания цемента проводились стандартные геофизические исследования на предмет определения качества крепления в контактных зонах цементный камень – горная порода и цементный камень – стенки колонны, высота подъема тампонажного раствора и его однородность по плотности.

Определение плотности и растекаемости облегченного тампонажного раствора производили при температуре 20±2°С и атмосферном давлении по методике, описанной в ГОСТ 26798.1-96 “Цементы тампонажные. Методы испытаний”. Плотность тампонажного раствора определяли пикнометром, растекаемость – по конусу АзНИИ. Скорость фильтрации тампонажного раствора выражали условной величиной – показателем фильтрации за 30 мин и определяли на приборе ВМ-6 после выдержки в автоклаве при температуре 40°С и давлении 30 МПа в течение 10 минут.

Водоотделение тампонажного раствора определяется после его выдержки в автоклаве при температуре 40°С и давлении 30 МПа в течение 10 минут. Раствор заливается в цилиндр объемом 250 см³, после отстаивания в течение 2 ч замеряется объем отделившейся воды и рассчитывается результат в процентах.

Для определения прочности цементного камня цементный камень изготавливается в формах размером 20×20×100 мм. Перед этим раствор выдерживается в автоклаве при температуре 40°С и давлении 30 МПа в течение 10 минут. После наполнения форм цементным раствором их помещают в термостат. Прочность камня определяется после его выдержки в соответствии с ГОСТ 26798.1-96 при температуре 40°С через 24 часа. Предел прочности камня на изгиб – на испытательной машине МИИ-100, предел прочности камня на сжатие – на гидравлическом прессе П-10.

Адгезию (прочность сцепления цементного камня с ограничивающей поверхностью) определяли после выдержки цементного раствора в автоклаве при температуре 40°С и давлении 30 МПа, в течение 10 минут, затем цементный раствор заливают в металлические цилиндрические формы с внутренним диаметром 50±0,1 мм и высотой 50±0,1 мм, закрывают крышкой и помещают в термостат. Адгезия камня (прочность сцепления цементного камня с ограничивающими поверхностями) определяется после его выдержки, при температуре 40°С через 24 часа на прессе СП-10 методом сдвига цементного камня в ограничивающей поверхности.

В аналогичных условиях были приготовлены и испытаны цементные тампонажные смеси и тампонажные растворы по другим примерам по изобретению (примеры 1-3), а также состав по прототипу (пример 4). Всего было проведено испытаний заявляемого состава на 11 скважинах. Результаты исследований по всем 11 скважинам – положительные.

Составы по примерам 1-3 приведены в таблице 1. Сравнительные экспериментальные данные приведены в таблице 2.

Как видно из представленных сравнительных экспериментальных данных (таблица 2), заявляемая тампонажная смесь позволяет уменьшить плотность тампонажного раствора до уровня 1200-1250 кг/м³, при этом, цементный камень обладает более высокими по сравнению с прототипом (пример 4) адгезией к ограничивающим поверхностям, водоотделение и скорость фильтрации заявляемого тампонажного раствора (примеры 1-3) ниже, чем у прототипа.

Применение предлагаемой цементной тампонажной смеси позволит повысить прочность контакта цемента с колонной и породой и обеспечит подъем тампонажного раствора до проектной высоты.

Таблица 1
Составы цементных тампонажных облегченных смесей по изобретению
Ингредиенты, мас.%	Примеры конкретного выполнения
	1	2	3
Портландцемент, а
именно:
– марки ПЦТ I-50	–	67,8	69,5
– марки ПЦТ I-G-CC-1	65,9	–	–
Водорастворимый полимер, а именно:
– сульфацелл-2	–	0,2	–
– карбооксиэтилцеллюлоза (КМЦ)	0,1	–	–
– оксиэтилцеллюлоза	–	–	0,5
(ОЭЦ)
Комплексная минераль
ная добавка КМД-СО,
масс.%:
A) SiO2 – 55,0; Al2O3 –	34,0
20,0; Fe2O3 – 4,0; CaO –
20,0; MgO – 0,1; Na2O –
0,1; K2O – 0,2; TiO2 – 0,6.
Б) SiO2 – 70,0; Al2O3
16,0; Fe2O3 – 1,0; CaO –	–	32,0	–
10,0; MgO – 0,3; Na2O 0,3;
K2O – 0,9; TiO2 – 1,5.
С) SiO2 – 55,0; Al2O3 –
25,0; Fe2O3 – 1,0; CaO –	–	–	30,0
10,0; MgO – 3,5; Na2O –
1,4; K2O – 3,5; TiO2 – 0,6.
ИТОГО:	100	100	100

Формула изобретения

1. Цементная тампонажная облегченная смесь, содержащая портландцемент тампонажный с добавками, отличающаяся тем, что в качестве добавок содержит комплексную минеральную добавку – КМД-СО следующего химического состава, мас.%: SiO₂ 55,0-70,0; Аl₂О₃ 16,0-25,0; Fе₂О₃ 1,0-4,0; CaO 10,0-20,0; MgO 0,1-3,5; Na₂O 0,1-1,4; K₂O 0,2-3,5; TiO₂ 0,6-1,5 и водорастворимый полимер при следующем соотношении компонентов, мас.%:

с размером частиц не более 500 мкм.

2. Цементная тампонажная облегченная смесь по п.1, отличающаяся тем, что в качестве водорастворимого полимера содержит сульфацелл-2.

3. Цементная тампонажная облегченная смесь по п.1, отличающаяся тем, что в качестве водорастворимого полимера содержит карбоксиэтилцеллюлозу.

4. Цементная тампонажная облегченная смесь по п.1, отличающаяся тем, что в качестве водорастворимого полимера содержит оксиэтилцеллюлозу.