Розширний тампонажний матеріал для цементування свердловин в умовах впливу сольової агресії

Реферат: Розширний тампонажний матеріал для цементування свердловин в умовах впливу сольової агресії містить тампонажну суміш ТС-100, шамотний пил та армуючу домішку. UA 93800 U (12) UA 93800 U UA 93800 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Корисна модель належить до будівництва нафтових і газових свердловин, а саме до тампонажних матеріалів, що використовують для цементування обсадних колон нафтових і газових свердловин при нормальних і помірних температурах в умовах впливу сольової агресії, зокрема у калій-магнієвих соляних породах (КМСП), а також при установленні цементних мостів під час споруджування та капітального ремонту свердловин. Відомий тампонажний склад, що включає каустичний магнезит, кислу золу-винос, мідний 7 купорос, НТФК, насичений водний розчин природного бішофіту і воду [а.с. UA № 60470, МПК Е 21В 33/13. Опубл. 15.10.2003 р., Бюл. № 10]. Недоліком такого матеріалу є обмежена за статичною температурою межа застосування до 60 °C та незадовільні механічні властивості цементного каменю на його основі. Відомі тампонажні матеріали, що у своєму складі містять кремневмісні компоненти, наприклад кварцовий пісок, що призначені для підвищення міцності цементного каменю при цементуванні нафтогазових свердловин в умовах підвищених температур та під впливом агресивного середовища [Новохатский Д.Ф. Об оптимальном составе термостойких тампонажных цементов. // Нефтяное хозяйство. - 1975. - № 4]. Недоліком таких матеріалів є недостатня стабільність, насамперед, седиментаційна стійкість тампонажних суспензій. Високі показники водовідділення тампонажного розчину сприяють формуванню міграційних каналів, водяних поясів, неоднорідності ізоляційного екрану. Найбільш близьким по технічній суті і результату, що досягається, до запропонованого (тобто прототипом) є тампонажний матеріал, що розширюється [Інструкція по технології кріплення свердловин у розрізах, які вміщують текучі соленосні відклади. - Держнафтогазпром. УкрНГІ. - Київ, 1995. - 26 с.], який включає 70-80 % портландцементу ПЦТ І-100 чи ПЦТ ІІ-50 за ДСТУ Б В 2.7-88-99 "Портландцементи тампонажні. Технічні умови" та 20-30 % електрофільтрового пилу шамотно-випалювального виробництва - шамотний пил (ШП) за ГОСТ 23037-78. Ці тампонажні матеріали мають незадовільні фізико-механічні властивості, насамперед, недостатню стабільність тампонажних суспензій, незадовільні міцність і корозійну стійкість цементного каменю в умовах хлор-магнієвої агресії [Данюшевский B.C. Проектирование оптимальных составов тампонажных цементов. - М.: Недра, 1978, 293 с]. Крім того, процес приготування таких тампонажних матеріалів передбачає змішування компонентів шляхом почергового перетарювання (2-4 рази) цементно-змішувальними машинами, що не забезпечує необхідної гомогенності суміші. В основу корисної моделі поставлена задача підвищення якості, довговічності та надійності кріплення свердловин за рахунок створення розширного тампонажного матеріалу з рівномірно розподіленими складовими у суміші, розчин на основі якого характеризується стабільністю, покращеними реологічними параметрами, регламентованими значеннями водовідділення, а цементний камінь має розширення, має підвищені міцнісні характеристики та є корозійностійким. Поставлену задачу вирішують тим, що розширний тампонажний матеріал для цементування свердловин в умовах впливу сольової агресії включає цемент і шамотний пил, при цьому як цемент містить тампонажну суміш ТС-100 та додатково містить армуючу домішку при наступному співвідношенні компонентів, мас. ч.: ТС-100 80-85 шамотний пил 15-20 армуюча домішка 0,03-0,04. Суттєвими відмінними ознаками корисної моделі є те, що розширний тампонажний матеріал для цементування свердловин в умовах впливу сольової агресії, що включає цемент і шамотний пил, як цемент містить тампонажну суміш ТС-100 та додатково містить армуючу домішку при наступному співвідношенні компонентів, м. ч.: ТС-100 80-85 шамотний пил 15-20 армуючи домішка 0,03-0,04. Для приготування розширного тампонажного матеріалу, що використовують для цементування нафтогазових свердловин в умовах впливу сольової агресії, застосовують: тампонажну суміш ТС-100 виробництва ТОВ "Спецбудконструкція" відповідно до ТУ У 26. 632571045-001-2011 "Сухі тампонажні суміші" - однорідний порошок сірого кольору хімічного складу, представленого в таблиці 1. 1 UA 93800 U Таблиця 1 Порівняльний склад тампонажних матеріалів Хімічний склад, % Тип матеріалу ПЦТ І-100 ТС-100 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 СаО 66,36 57,91 SiO2 21,3 26,2 Fe2O3 Аl2О3 3,5 2,35 5,25 5,89 K2О + Na2O 0,91 0,86 0,9 0,82 SO3 MgO TiO2 Інші 0,71 1,2 0,18 0,34 0,9 1,8 Питома 2 поверхня, м /кг 280-295 320-345 Перевага застосування композиційної тампонажної суміші ТС-100 від цементу ПЦТ І-100 (ПЦТ ІІ-50) полягає у тому, що формування її кристалічної структури починається, коли розмір зародків твердої фази, які виникають на коагуляційній стадії тверднення, перевищує критичний, що визначається хімічною природою фаз тверднучої системи, ступенем пересичення розчинів гідратних новоутворень і коефіцієнтом поверхневого натягу на межі розподілу фаз. Швидкість утворення кристалічного каркаса регулюється коефіцієнтом дифузії колоїдних частинок з пересичених розчинів гідратних новоутворень до зародків твердої фази. Оптимальне поєднання полімінеральних компонентів різного генезису забезпечує в умовах свердловини керований синтез цементного каменю з покращеними експлуатаційними властивостями (мінімальне тепловиділення, підвищені щільність структури, міцність і корозійна стійкість, а також здатність до самоармування та самозаліковування дефектів структури, що виникають внаслідок динамічних навантажень під час експлуатації). Використання матеріалів з такою питомою поверхнею як у ТС-100 (більше 320 м /кг) забезпечує формування цементного каменю з щільною упакованою кристалічною градкою; шамотний пил (ШП) - електрофільтровий пил шамотно-випалювального виробництва за ГОСТ 23037-78 - порошок від світло-сірого до сірого кольору різних фракцій. Добавка шамотного пилу до тампонажного розчину сприяє розширенню каменю і підвищенню його корозійній стійкості [Інструкція по технології кріплення свердловин у розрізах, які вміщують текучі соленосні відклади. - Держнафтогазпром. - УкрНГІ. - Київ, 1995. - 26 с.]; армуюча домішка - це спеціально оброблені волокна (поліпропіленові, поліамідні тощо), хімічно інертні та не токсичні. Основне призначення армуючої домішки - покращення міцнісних та деформаційних властивостей цементного каменю, її застосування зменшує можливі ризики виникнення поглинань тампонажної суспензії, не впливаючи негативно на реологічні параметри тампонажного розчину. Тампонажна композиція на основі запропонованого розширного тампонажного матеріалу характеризується: покращеними структурно-реологічними параметрами тампонажного розчину; розширенням цементного каменю; покращеними міцнісними (зокрема, рання міцність) характеристиками цементного каменю; підвищенням корозійної стійкості цементного каменю. Запропонований розширний тампонажний матеріал готують наступним чином: у заводських умовах на спеціалізованих змішувальних вузлах усі порошкоподібні складові у необхідному пропорційному відношенні змішують до отримання однорідної суміші (згідно з технологією приготування сухих будівельних сумішей). Приготовлену однорідну суміш фасують у мішки або транспортують насипом з подальшим використанням під час цементування обсадних колон. Переваги даної схеми змішування порівняно з перетарюванням цементно-змішувальними машинами полягають у рівномірному розподілі усіх компонентів у суміші та додаткової активації в'яжучих та наповнювачів. Використання запропонованого розширного тампонажного матеріалу полягає у простому замішуванні розрахункової кількості сухого тампонажного матеріалу у визначеній кількості рідини замішування до досягнення необхідної густини тампонажного розчину. Приклад приготування тампонажного розчину на основі запропонованого розширного тампонажного матеріалу. В цементно-змішувальну машину завантажують необхідну кількість розширного тампонажного матеріалу. За допомогою цементувального агрегату подають рідину замішування у кількості, необхідній для досягнення очікуваної густини тампонажного розчину (при потребі у рідину замішування вводять реагент-сповільнювач чи інші модифікатори). Після цього, для вирівнювання реологічних параметрів, суспензію подають в осереднюючу ємкість. 2 UA 93800 U 5 10 Гомогенізований (стабілізований) тампонажний розчин нагнітають у свердловину. Цементування свердловини із застосуванням розчину на основі запропонованого розширного тампонажного матеріалу проводять за загальноприйнятою технологією. Порівняння характеристик розчинів на основі відомого (прототип) та запропонованого розширного тампонажного матеріалу наведено у таблиці 2. Приготовлено відому тампонажну суміш, а також сім композицій на основі розширного тампонажного матеріалу згідно з корисною моделлю з граничними і середніми значеннями компонентів, а також з їх вмістом вище верхнього і нижче нижнього значення. Властивості приготовлених тампонажних сумішей тестовано згідно з ДСТУ Б В 2.7-86-99 "Портландцемента тампонажні. Методи випробувань" та ТУ У 26. 6-32571045-001-2011 "Сухі тампонажні суміші". У процесі проведення досліджень визначено показники технологічних характеристик тампонажного розчину - густину, розтічність, водовідділення, час загуснення, а також властивості цементного каменю - розширення, міцність при вигині та стисканні в умовах впливу агресивного середовища. 15 Таблиця 2 Складові тампонажних і матеріалів та властивості розчинів на їх основі і цементного каменю Технологічні параметри тампонажного Час Компоненти, м.ч. Міцність цементного каменю у віці**, МН/м2 розчину загуснення (умови 2д 28 д 180 д 360 д Номер цементування АрмуюГуРоВододосліду розширення, свердлоцемент ШП ча НТФК* стина, зтічність, відділення, вини: t=60 °C, згин стиск згин стиск згин стиск згин стиск % домішка г/см3 мм мл Р = 40 МПа), год.-хв Відомий тампонажний матеріал 80 (ПЦТ 1 20 0,08 1,81 195 8,4 0,5 3-15 5,7 24,1 I-100) 80 (ПЦТ 2 20 0,12 1,80 230 14 6-00 4,5 20,1 5,8 26,1 7,7 27,3 5,8 15,3 I-100) Запропонований тампонажний матеріал 80 (ТС3 20 0,03 0,08 1,83 220 4,0 0,5 5-35 6,2 20,8 7,4 24,2 8,8 29,4 9,7 31,3 100) 85 (ТС4 15 0,03 0,07 1,86 200 5,5 0,5 5-00 7,6 24,3 8,5 26,2 9,4 29,6 9,2 29,8 100) 88 (ТС5 12 0,03 0,07 1,87 230 7,5 0 5-40 7,7 24,5 100) 75 (ТС6 25 0,03 0,1 1,81 180 3,0 0,6 4-35 4,5 19,5 100) 80 (ТС7 20 0,04 0,08 1,83 220 5,0 0,6 5-15 6,2 21,1 7,5 25,3 9,0 29,7 10,1 31,9 100) 80 (ТС8 20 0,02 0,08 1,83 215 5,0 0,5 5-20 6,0 18,9 7,2 22,1 8,2 27,4 9,0 29,6 100) 80 (ТС9 20 0,05 0,08 1,83 215 5,0 0,5 5-10 6,3 20,6 7,4 24,3 8,9 29,5 9,8 31,1 100) Примітки * - НТФК (нітрилотриметилфосфонова кислота) - реагент-сповільнювач тужавіння тампонажного розчину, що забезпечує регулювання часу загуснення тампонажної суспензії ** - Границя міцності на вигин у віці 2, 28, 180, 360 діб досліджено після зберігання взірців у агресивному середовищі - мінералізована пластова вода хлор-магнієвого типу густиною 1180 кг/м 20 25 30 Аналіз наведених у таблиці 2 даних свідчить, що вміст тампонажної суміші (ТС-100) у межах 80-85 м. ч. є оптимальним для забезпечення регламентованих міцнісних характеристик цементного каменю (рання міцність та міцність взірців каменю під впливом сольової агресії). Вміст домішки шамотного пилу в кількості 15-20 м. ч. є оптимальним для забезпечення задекларованих технологічних властивостей тампонажного розчину та цементного каменю (досліди 3, 4). При вмісті домішки шамотного пилу менше 15 м. ч. (дослід 5) зменшується показник розширення цементного каменю. Вміст шамотного пилу більше 20 м. ч. (дослід 6) призводить до зниження розтічності розчину, що ускладнює приготування тампонажного розчину, а також не забезпечує технологічно необхідного часу цементування свердловини (відповідно до змодельованих термобаричних і технологічних умов) та необхідних міцнісних характеристик цементного каменю. Вміст армуючої домішки в межах 0,03-0,04 м. ч. (таблиця 2, досліди 3, 4, 7) є оптимальним для досягнення необхідних міцнісних характеристик цементного каменю. її вміст менше 0,03 м. ч. не забезпечує підвищення міцнісних характеристик цементного каменю (дослід 8), а більше 0,04 м. ч. (дослід 9) не призводить до їх подальшого зростання. Запропонований склад та спосіб отримання розширного тампонажного матеріалу є технологічно зручним під час виконання робіт з цементування свердловин та установлення цементних мостів. 3 UA 93800 U 5 Технічний результат від застосування запропонованого розширного тампонажного матеріалу для цементування свердловин в умовах сольової агресії (при нормальних і помірних температурах) полягає у підвищенні якості, довговічності та надійності кріплення свердловин за рахунок створення розширного тампонажного матеріалу з рівномірно розподіленими складовими у суміші, розчин на основі якого характеризується стабільністю, покращеними реологічними параметрами, регламентованими значеннями водовідділення, а цементний камінь має розширення, має підвищені міцнісні характеристики та є корозійностійким. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 Розширний тампонажний матеріал для цементування свердловин в умовах впливу сольової агресії, що містить цемент і шамотний пил, який відрізняється тим, що як цемент містить тампонажну суміш ТС-100 та додатково містить армуючу домішку при наступному співвідношенні компонентів, м. ч.: тампонажна суміш ТС-100 80-85 шамотний пил 15-20 армуюча домішка 0,03-0,04. 15 Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4