Тампонажный раствор для цементирования глубоких нефтяных и газовых скважин

Тампонажный раствор для цементирования глубоких нефтяных и газовых скважин

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

1. ТАМПОНАЖНЫЙ РАСТВОР ДЛЯ .ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ ГЛУБОКИХ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН, содержащий молотый клинкер, минеральную добавку, жидкость затворения и добавку-модификатор , отличающийся тем, что, с целью применения раствора в интервале температур от до +250С в условиях солевой агрессии , он содержит в качестве клинкера молотый хлорсиликатный (алинитовый) портландцементный клинкер, в качестве минеральной добавки - смесь гипса и извести с торфом или опокой в соотношении 1:

„„SU„„! 011856

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

3(59E 21 В /1 8

ОПИСАНИЕ ИЗОЬГЯт НИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

5 -65

d (21) 3294359/22-03 (22) 27.05.81 (46) 15.04.83. Бюл. М 14 (72) О.К. Ангелопуло, В.С. Бакшутов, М.Я. Бикбау, В.С. Данюшевский, В.В. Илюхин, Л.Л. Лобов, И.К. Нико/ лаева, Б. И. Нудельман, M. Б. Хыдыров и В.Я. Никулин (71) Московский ордена Трудового

Красного Знамени институт нефтехими- ческой и газовой промышленности им. И.М. Губкина (53) 622.245.42(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

tr 578435, кл. E 21 В 33/138, 1975.

2. Лортландцементы тампонажные.

ГОСТ 1581-78, с. 2-3 (прототип). (54)(57) 1. ТАМПОНАИНЦЙ РАСТВОР ДЛЯ ,ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ ГЛУБОКИХ НЕФТЯНЫХ

И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН, содержащий молотый клинкер, минеральную добавку, жидкость затворения и добавку-модификатор, отличающийся тем, что, с целью применения раствора в интервале температур от -10 С до +250+C в условиях солевой агрессии, он содержит в качестве клинкера молотый хлорсиликатный (алинитовый) портландцементный клинкер, в качестве минеральной добавки - смесь гипса и извести с торфом илй опокой в соотношении 1:(3 -- 4):(3 - 8), в качестве жидкости затворения — воду или 1

2,5i-ные водные раствбры электролитов СаСР2 или К2СО, а в качестве добавки-модификатора - водные растворы жидкого стекла или полиакрилатов при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:

Молотый хлорсиликатный (алинитовый) портландцементный клинкер 100

Смесь гипса и извести с торфом или опокой в соотношении

1:(3 - 4):(3 - 8)

Вода или 1-2,53-ные

O водные растворы электролитов СаСЕ2 или К2СО 42-115,5

Жидкое стекло или поС: лиакрилаты 0,05-17)55 д

2. Раствор по и. 1, о т л и ч а ю -шийся тем, что используют алинитовый клинкер следующего минерально- ()

1го состава, мас.ч.: Са 310 СР2(алинит) 100; Ca Sf0 CPg 2,2-33,3;

12 Си0 7AR20g 2,3-25,0; 3Cu0 ° 5AP>0>

1,1-8,3; СиО-2АP 02 I,1-8,3; 4 СаО

sA0igO g-Fe2O 15,6-25,0; 2СиО*Ре20 ©

О,"-5,0; стекловидная фаза 0,6-25,0; Cu0 своб. 0,6-2,5; МдО общ. 0,3-2,5.

1011856

Изобретение относится к производству специальных тампонажных растворов, в частности для цементирования глубоких и сверхглубоких нефтяных и газовых скважин в сложных геолого- 5 технологических услови.ях(низкие положительные и отрицательные температуры, высокотемпературная солевая коррозия и пр.), и может быть использо-. вано в нефтегазодобывающей промышленности.

Известны специальные тампонажные растворы, содержащие молотый клинкер . тампонажного портландцемента для холодных скважин с минеральными добавками.(гипс, керамзит, опока и пр.), жидкость затворения (5-20/-ный водный раствор поташа (К2СО H едкого кали) и добавки модификаторов (например, КССБ для замедления сроков 20 охватывания)(1 1.

Однако область их применения лежит в интервале температур +5 - (-10fC.

При более высоких температурах раствор становится непрокачиваемым. С те- 25 чением времени прочностные характеристики и коррозионная стойкость цементного камня резко (скачками) уменьшаются, что делает раствор непригодным для цементирования сква- ЗО жин.

Наиболее близким к предлагаемому по составу и технической сущности является тампонажный раствор для цементирования глубоких нефтяных и газовых скважин, содержащий молотый клинкер, минеральную .добавку, жидкость затворения и добавку-модификатор.

Указанный тампонажный раствор ха- 4О рактеризуется повышенной коррозионной стойкостью в соленосных пластах хлористого на грия и в среде пластовых вод с минерализацией до 400 г/л хлористых солей комплексного состава 2 . 4>

Однако данный раствор можно применять только в диапазоне температур .

75- 120 С. При более низких температурах степень гидратации цементных минералов резко уменьшается, что ведет к снижению прочности цементного камня на сжатие и растяжение (изгиб) "До .недопустимых величин (менее 0,2 ИПа) и делает раствор непригодным для цементиравания скважин в этих условиях.

Цель изобретения - применение раствора в интервале температур от

-10 до +250 С в условиях солевой агрессии.

5-65

Поставленная цель достигается тем, что тампонажный раствор для цементирования глубоких нефтяных и газовых скважин, содержащий молотый клинкер, минеральную добавку, жидкость затворения и добавку-модификатор, дополнительно содержит в качестве клинкера молотый хлорсиликатный (алинитовый) портландцементный клинкер, в качестве минеральной добавки - смесь гипса и извести с торфом или опокой в соотношении 1:(3 = 4):(3 - 8), в качестве жидкости затворения - воду или l- .

2,53-ные водные растворы электролитов

СаСР2 или К2С03 а в качестве добавки-модификатора - водные растворы жидкого стекла или полиакрилатов при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:

Молотый хлорсиликатный (алинитовый) портландцементный клинкер 100

Смесь гипса и извести с торфом или опокой в соотношении

1:(3 - 4):(3 - 8)

8ода или 1-2,5l-ные водные растворы электролитов СаСО> или К2СО 42- 115,5

Жидкое стекло или полиакрилаты 0,65-17,55

Используется алинитовый клинкер следующего минерального состава, мас.ч.: Ca Si04 С 0 (алинит) 100;

Сань!09се z 2,2-33,3; 12Сио 7Аего

2,2-25, О; 3Cu0 5АЕ>ОЗ 1,1-8,3; Cu0s 2AR0g l,1-8,3; 4СаО А020З Fe>0> 15,625,0; 2Си0 Fe>0> 0,1-5,0; стекловидная фаза 0,6-25,0; Cu0< g 0,6-4,2;

Мс Ообщ 0 3 2 5 фазовый состав клинкера отличается содержанием вместо известного алита нового минерала-трехкальциевого хлорсиликата-алинита и ряда других минералов, вследствии чего свойства алинитового цемента весьма специфичны.

8 качестве минеральных добавок могут применяться для регулирования сроков схватывания порошкообразный двуводный гипс, в качестве расширяющего компонента — известь (негашеная и гидратная), облегчающие добавки - опока, бетонит и пр., повышающие термосолестойкость при высоких температурах шлаки, шламы, промышленные отходы и пр., понижающие коэффициент теплопроводности при пониженных темпе856

3 1011 ратурах торф, перлит и- пр., в качестве жидкости затворения - техническая .вода или водные растворы электролитов, (солей, щелочей и пр.), в качестве добавок-модификаторов - поS низители водоотдачи (гипан и полиакриламид) и кольмататор пор (жидкое стекло).

В предлагаемом тампонажном растворе указанная выше совокупность to свойств достигается,. в основном, благодаря принципиально новому минералогическому составу клинкера, основным минералом которого является не алит 3Сцд Si0, а содержащий 2,5- is

5,0 вес.3 связанного хлора алинит

Са 510 СР2, образующийся в процессе низкотемпературного обжига цементной сырьевой смеси в среде, содержащей в качестве каталитических элементов 26 анионы хлора и кислорода, и имеющий принципиально отличную от алита кристаллическую структуру из катионных (кальциевых) полиэдров с мостиковыми смешанными анионами. Этот вид структуры и определяет принципиально новые свойства тампонажного раствора .на основе алинитового клинкера - высокую гидравлическую активность и скорость (степень) гидратации (например, степень гидратации предлагаемого тампонажногб раствора через 28 сут твердения при 20 С составляет

903, а у обычного силикатного портландцементного раствора лишь 624, т.е. в 1,5 раза ниже) ;"

3s

Имеется еще целый ряд специфических отличий анионсиликатного (в отличие от обычного катионсиликатного) алинитового клинкера от обычно алитового: наличие ионов как Fe +, так и ео

Fe + в количестве 3,7-3,8 и 0,30,4 вео.,3, соответственно; вредная в чистом виде СаОс оя присутствует

s виде кальцита СаСО>, упрочняющего цементный камень;. скорость образова-ния портландита Са(ОН) в цементном камне в ранние сроки твердения в 2 раза ниже, чем у обычного раствора. Это . говорит о том, что степень гидролиза алинита вдвое меньше, т.е. гидратация его идет не по обычной двухстадийной схеме: растворение-кристаллизация, а по одностадийному топохимическому механизму, т.е. вдвое быстрее. Это подтверждается данными по определению 55 степени гидратации алинита.

Высокая гидратационная активность алинита приводит к интенсивному твер4. дению раствора, что позволяет. его ис.пользовать при низких положительных. .и отрицательных температурах.

Из-за недостатка портландита

Са(ОН) и из-за его усиленной карбонизации (превращения в кальцит СаСО ) образование цементного камня идет из .гидросиликатов с основностью меньше 1, т.е. из минералов группы гоберморит CuS Hg - ксонотлит C6S6H иллебрандит С SH(B), имеющих высокие индивидуальные прочностные свойства и термокоррозионную. стойкость, что определяет возможность эффективного применения алинитового тампонажного раствора также и в усло.виях высокотемпературной солевой агрессии.

Приготовление предлагаемого тампонажного раствора осуществляется с использованием обычной стандартной тех" ники и технологии приготовления тампо. нажных растворов и цементироьания скважин. Нужные минеральные добавки могут вводиться как при помоле клинкера на цементном заводе, так и в процессе сухого перемешивания цемента с добавками в цементно-смеситель-ной машине непосредственно на скважине. Добавки-модификаторы в целях . лучшей гомогенизации обычно вводятся в жидкость затворения в процессе приготовления цементного раствора с помощью цементировочных агрегатов также непосредственно при цементировании скважины.

Применение предлагаемого тампонажного раствора позволяет получить в.широком диапазоне температур высококачественный тампонажный раствор и цементный камень на его основе, обладающий хорошими прочностными свойствами и высокой долговечностью и способствующий повышению качества цементи" рования скважин в этих условиях. Это подтверждается данными лабораторных испытаний предлагаемого раствора и камня на его основе, проведенных в условиях максимального- приближения к реальным условиям скважин.

В табл. 1 приведены составы алинитовых тампонажных растворов.

Предел прочности на сжатие состава 1 (плотность 1,8 г см, растекаемость 19 см, начало схватывания:

1 ч 30 мин - 2 ч 40 мин, конец схватывания . 1 ч 55 мин - 4 ч 10 мин) приведен в табл. 2.

856

Таблица

Содержание компонентов, вес.ч., в составах

Компоненты

Предлагаемый

Известный

1 Г 1

1 2 3 4

Алинитовый клинкер

Обычный

100

100

100

100

100 клинкер

100

35 (гипс 5, 65 (гипс 5, Гипс 4

СаО l5, СаО 20, торф 15) опока 40) Доменный

О, шлак

Ми не раль ные Домен" добавки ный шлак

70 (гипс 1

СаО 20, опока 4

О) Техни1Ф-ный водный р-р

CaCl? 81

Жидкость затворения

2, Я-ный водный р р

К тСО-1

115,1

1 -ный водный

P P

СаСР

120

ТехниТехническая ческая вода

42 ческая

Вода вода

Добавки- Гипан модификато- 0,05 ры

9,4 (жидкое стекло; полиакриламид 0,9) Полиакриламид

17,55

Полиакриламид

Гипан

0 03

Жидкое стекло

1,5

П р и м е ч а н и е. Содержание жидкости затворения соответствует водотвердому отношению В/Т (клинкер + минеральные добавки). В пересчете на обычное В/У В/Т в диапазоне

40-120 примерно соответствует В/У 35-75, 5 1011

В табл. 3 приведен предел прочности Аа сжатие состава 2 (плотность

1,65 г/см, растекаемость 20 см, начало схватывания: 1 ч 50 мин3 ч 15 мин, конец схватывания: S

2 ч 45 мин — 5 ч 10 мин), В табл. 4 приведен предел прочности на сжатие состава 3 (плотность

1,50 г/см, растекаемость 21 см, начало схватывания : 2 ч 20 мин1О

4 ч 1О мин,конец схватывания:

З.ч 35 мин - 6 ч 20 мин).

В табл. 5 приведен предел прочности на сжатие известного состава (плот.- ность 1,85 г/см, растекаемость 18 см, начало схватывания: 6 ч 50 мин8 ч 2 мин, конец схватывания:

12 ч 45 мин — 15 ч 20 мин) .

Составы 4 и 5 являются некондицион- 0 ными (см. табл. 1), их свойства не соответствуют поставленной цели получения универсального тампонажного раствора для широкого диапазона температур °

Состав 4 при плотности 1,90 г/см имеет начало схватывания менее 1 ч и растекаемость менее 14 см; при температурах выше. 50 С камень не является термостойким.

Состав Ю 5 при плотности 1,40 г/смЗ имеет водоотделение более 4i, растекаемость более 24 см и начало схватывания более lá ч, при температурах ниже 5 С раствор твердеет медленно, прочность камня недопустима мала (меньше 2 кг/см ).

По результатам проведенных испытаний видно, что предлагаемый алинитовый тампонажный раствор может быть эффективно использован в качестве универсального тампонажного раствора ,для цементирования нефтяных и газовых скважин в широком диапазоне температур в сложных геолого-технологических условиях.

1011856

Табли ц-а 2

»

Предел прочности, кгс/см

-10 0 5 20 50 85

М при С

I 1 I

Время, сут

120 160 250

l2,4 38,3

16,6 60,7

60,2 120,4

28

200,0

220,0

200,0

260,0

Таблиц а 3

Предел прочности, кгс/см, при С

Время, сут

-10 0 5 20 - 50 85 120 160 250

4,2

181,0 208,4

192,2 220,4

312,1 316,6

381,3 401,2

408,0 406,4

35 3

48,0

28

1l5,2

190, 0

245,4

220,0

300,2

Таблица 4

Предел прочности, кгс/cM при С о

Время, сут

I I - 1 1 1 - 1 I

1 3,! 6,4 22,1 42,0 68,0

2 4,4 8,2 38,0 62,3 94,3

32,! 42,6 82,0 128,6 142,4

28 104,2 82,8 160,2 164,1 168,7

90 124,6 164,2 192,3 192,4 249,4

92,2

145,4

4,4

6,2

40,3

160,0

170,0

5,5

36,3

l40,0

165,0

10,2 !

4,4

52,4

180,0

206,0

66,4

90,3

178,2

240,0

306,0

60,0

86,4

164,2

95,4

163,6

268,0

340,0

530,0

92,0 !

45,8

232,4

321,6

502,0

145,2

190,4

300,6

360, 0

475,0

124,6

180, 0

296,3

345, 0

468,2

190,0

246,2

284,3

160,7

195,8

310,3

380,0

420,0144,0

180,2

294,4

362,3

406,2

102, 0

141,0

181,4

216,9

245,6

194,2

200,4

324,5

395,0

430,0

142,0

162, 1

l75 0

194,2

228,7

210,4

224, 6

342,3

410,0

424, О

156,2

164,7

182,4

202,6

212,2

Таблица

1011856

Ю

Предел прочности, кгс/см, при С о

5 20 50 20

Время, сут

60,2 82,4 160,3

Прочность камня недостаточна

60,2 110,2

140,0 160,5

72,4 140,0 196,5 200,2 210,4

92,6 180,0 230,6 240,4 250,2

120,4 230,0 280,2 290,2 260,0

Составитель А. Балуева ,Редактор Н. Киштулинец Техред Е.Харитончик . Корректор А. Дзятко

Заказ 2715/40

Тираж 601 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж,35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

28

1I

180,2 Камень рас трескался