Теплоизолирующий тампонажный материал

Изобретение относится к области строительства нефтяных и газовых скважин, в частности к составам теплоизолирующих тампонажных материалов, предназначенных для крепления обсадных колонн в интервалах залегания многолетних мерзлых пород. Технический результат - снижение риска возникновения осложнений, обусловленных растеплением многолетних мерзлых пород, обеспечение надежности конструкции скважинной крепи, эффективная герметизация затрубного пространства, сохранность устья и околоствольного пространства скважин в процессе всего цикла их строительства и эксплуатации в условиях многолетних мерзлых пород. Теплоизолирующий тампонажный материал содержит, мас.%: портландцемент тампонажный бездобавочный ПЦТ-I-G 8,6-11,2; микронизированный тампонажный портландцемент «Ультрацемент-5» 38,3-47,6; полые стеклянные микросферы «ForeSphere-3000» 5,7-8,4; расширяющая добавка Полицем ДР-50 6,2-7,4; моноэтиленгликоль 5,4-6,9; поликарбоксилатный пластификатор 0,34-0,48; вода - остальное. 1 табл., 1 пр.

Теплоизолирующий тампонажный материал, содержащий компоненты сухой смеси, компоненты жидкости затворения, при этом в качестве компонентов сухой смеси используют портландцемент тампонажный и полые стеклянные микросферы, а в качестве компонентов жидкости затворения используют воду и модифицирующую добавку, такую как пластификатор, отличающийся тем, что компоненты сухой смеси дополнительно включают расширяющую добавку Полицем ДР-50, а компоненты жидкости затворения дополнительно включают в себя такую модифицированную добавку, как моноэтиленгликоль, при этом в качестве тампонажного портландцемента используют портландцемент тампонажный бездобавочный ПЦТ-I-G и микронизированный тампонажный портландцемент «Ультрацемент-5», в качестве полых микросфер используют полые стеклянные микросферы «ForeSphere-3000», а в качестве пластификатора используют поликарбоксилатный пластификатор Полицем Пласт-3, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Изобретение относится к области строительства нефтяных и газовых скважин, в частности к составам теплоизолирующих тампонажных материалов, предназначенных для крепления обсадных колонн в интервалах залегания многолетних мерзлых пород (ММП).

Одним из способов снижения риска возникновения осложнений в процессе строительства скважин, обусловленных растеплением ММП, является применение теплоизолирующих тампонажных материалов.

Известен расширяющийся тампонажный состав для низкотемпературных скважин содержащий, мас. %: тампонажный портландцемент для холодных скважин 35,5-56,5, сернокислый алюминий 2,0-5,0, торф 2,0-10,3, вода остальное (Патент RU 2155263 С2, «РАСШИРЯЮЩИЙСЯ ТАМПОНАЖНЫЙ СОСТАВ ДЛЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СКВАЖИН», Патентообладатель Всероссийский научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий Российского акционерного общества «Газпром», опубл. 27.08.2000 г.).

Недостатком данного тампонажного состава является сравнительно высокая теплопроводность тампонажного камня, что не позволяет применять его в качестве защиты многолетнемерзлых пород (ММП) от растепления.

Наиболее близким по составу и технической сущности к заявленному является теплозащитный тампонажный материал для условий ММП, выбранный нами в качестве прототипа, содержащий, мас. %: тампонажный портландцемент 34,4-43,3, полые стеклянные микросферы 13,0-17,2, суперпластификатор С-3 0,26-0,32, вода остальное или, мас. %: тампонажный портландцемент 36,55-45,3, аппретированные полые стеклянные микросферы 13,25-18,5, суперпластификатор С-3 0,28-0,34, вода остальное (Патент RU 2267004 С2, «СЫРЬЕВАЯ СМЕСЬ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОЗАЩИТНОГО ТАМПОНАЖНОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ УСЛОВИЙ МНОГОЛЕТНИХ МЕРЗЛЫХ ПОРОД», Патентообладатель - Общество с ограниченной ответственностью "Буровая компания ОАО "ГАЗПРОМ" (ООО "БУРГАЗ") (RU), опубл. 27.12.2005).

Недостатком указанного теплозащитного тампонажного материала являются отсутствие расширения и невысокие прочностные характеристики тампонажного камня через 48 часов твердения при 20°С, в следствие чего состав не может применяться при низких положительных и отрицательных температурах без дополнительной модификации.

Технической задачей, на решение которой направлено заявленное техническое решение, является разработка морозостойкого безусадочного теплоизолирующего тампонажного материала, обладающего высокими прочностными и адгезионными характеристиками тампонажного камня с низкой теплопроводностью при низких положительных и отрицательных температурах твердения при сокращении времени ожидания затвердевания цемента (ОЗЦ) до 16 часов.

Технический результат, на достижение которого направлено заявленное техническое решение, заключается в снижении риска возникновения осложнений, обусловленных растеплением ММП, обеспечении надежности конструкции скважинной крепи, эффективной герметизации затрубного пространства, сохранности устья и околоствольного пространства скважин в процессе всего цикла их строительства и эксплуатации в условиях ММП.

Указанный технический результат достигается разработкой теплоизолирующего тампонажного материала, содержащего компоненты сухой смеси, компоненты жидкости затворения, при этом в качестве компонентов сухой смеси используют портландцемент тампонажный, полые стеклянные микросферы, а в качестве компонентов жидкости затворения используют воду и модифицирующую добавку, такую как пластификатор, причем, согласно изобретению, компоненты сухой смеси дополнительно включают расширяющую добавку Полицем ДР-50, а компоненты жидкости затворения дополнительно включают в себя такую модифицированную добавку как моноэтиленгликоль, при этом в качестве тампонажного портландцемента используют стандартный портландцемент тампонажный бездобавочный ПЦТ-I-G и микронизированный тампонажный портландцемент «Ультрацемент-5», в качестве полых микросфер используют полые стеклянные микросферы «ForeSphere-3000», а в качестве пластификатора используют поликарбоксилатный пластификатор Полицем Пласт-3 при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Компонентный состав сухой смеси заявленного теплоизолирующего тампонажного материала включает:

- в качестве вяжущего, способствующего снижению реологических характеристик тампонажного раствора - стандартный портландцемент тампонажный бездобавочный ПЦТ-I-G (ГОСТ 1581-2019);

- в качестве высокоактивного вяжущего вещества, обеспечивающего ранний набор прочности тампонажного камня при низких положительных и отрицательных температурах - микронизированный тампонажный портландцемент «Ультрацемент-5» (ТУ 5739-019-56864391-2010), получаемый путем измельчения и классификации стандартного тампонажного цемента ПЦТ I-G-CC-1 (ГОСТ 1581-2019) и представляющий собой вяжущее вещество сверхтонкого помола с постоянным гранулометрическим и химико-минералогическим составом с размером частиц от 0,1 до 5 микрон при среднем (медианном) значении 3 микрона, с массовой долей частиц крупнее 5 микрон не более 10% и удельной поверхностью не менее 12000 см²/г;

- в качестве расширяющей добавки, повышающей прочность сцепления тампонажного камня с металлом обсадной колонны - добавку Полицем ДР-50 на основе сульфоалюмината кальция (ТУ 2458-077-97457491-2012);

- в качестве облегчающего теплоизоляционного наполнителя, понижающего плотность тампонажного раствора и теплопроводность тампонажного камня - полые стеклянные микросферы «ForeSphere-3000» (ТУ 23.99.19-008-50298370-2018), получаемые в результате термической обработки микронизированного боросиликатного стеклопорошка (фритта).

Компонентный состав жидкости затворения заявленного теплоизолирующего тампонажного материала включает:

- в качестве жидкости затворения - пресную водопроводную или техническую воду;

- в качестве бессолевой противоморозной добавки, обеспечивающей незамерзание жидкости затворения, а также гарантированное схватывание и твердение тампонажного раствора/камня по всему диапазону температур в интервале залегания ММП (до -10°С) - моноэтиленгликоль (ГОСТ 19710-2019);

- в качестве регулятора сроков загустевания и схватывания тампонажного раствора - поликарбоксилатный пластификатор Полицем Пласт-3 на основе карбоксилатов и смесей натриевых солей полиметиленнафталинсульфокислот различной молекулярной массы, с модифицирующими добавками солей лигносульфоновых кислот и других органических и неорганических веществ (ТУ 2458-063-97457491-2012).

Для определения эффективности заявленного теплоизолирующего тампонажного материала были выполнены лабораторные испытания, в ходе которых были определены следующие физико-механические свойства тампонажного раствора/камня, а именно: плотность, растекаемость, водоотделение, сроки загустевания и схватывания, предел прочности при изгибе и сжатии, предел прочности сцепления с металлом (адгезия), теплопроводность.

Плотность тампонажного раствора определялась с использованием рычажных весов для определения плотности жидкости под давлением (Pressurized Mud Balance) согласно ISO 10426-2.

Растекаемость тампонажного раствора определялась с использованием конуса растекаемости АзНИИ КР-1 согласно ГОСТ 34532.

Водоотделение тампонажного раствора определялось с использованием двух мерных цилиндров вместимостью 250 см³ согласно ГОСТ 34532.

Сроки загустевания тампонажного раствора определялись с использованием консистометра цементного раствора НРНТ согласно ISO 10426-2.

Сроки начала и конца схватывания тампонажного камня определялись с использованием прибора Вика ИВ-2 согласно ГОСТ 310.3.

Предел прочности при изгибе и сжатии тампонажного камня определялся разрушающим методом с использованием гидравлического пресса согласно ГОСТ 34532.

Предел прочности сцепления тампонажного камня с металлом определялся методом выдавливания образца из цилиндрической формы с использованием гидравлического пресса согласно СТО Газпром 7.3-013.

Теплопроводность тампонажного камня определялась с использованием измерителя теплопроводности ИТП-МГ4 «100» согласно ГОСТ 7076.

Результаты лабораторных испытаний заявленного теплоизолирующего тампонажного материала сравнивались с результатами испытаний известных тампонажных составов, взятыми из патентной документации.

Состав 1 - известный расширяющийся тампонажный состав для низкотемпературных скважин (Патент RU 2155263 С2), содержащий, мас. %:

Состав 2 - известный теплозащитный тампонажный материал для условий ММП, взятый нами в качестве прототипа (Патент RU 2267004 С2), содержащий, мас. %:

Состав 3 - заявленный теплоизолирующий тампонажный материал для крепления обсадных колонн в интервалах залегания ММП, содержащий, мас. %:

Состав 4 - заявленный теплоизолирующий тампонажный материал для крепления обсадных колонн в интервалах залегания ММП содержащий, мас. %:

Состав 5 - заявленный теплоизолирующий тампонажный материал для крепления обсадных колонн в интервалах залегания ММП содержащий, мас. %:

Пример приготовления заявленного теплоизолирующего тампонажного материала.

Порядок приготовления жидкости затворения.

В стакан лопастного смесителя наливают необходимый объем воды - 79% от объема жидкости затворения. При перемешивании в воду вводят навеску реагента Полицем Пласт-3 и перемешивают 15 минут при скорости вращения лопастей мешалки 400 об/мин. С помощью дозатора, не прерывая процесса перемешивания, в воду вводят моноэтиленгликоль - 21% от объема жидкости затворения и перемешивают 15 минут при скорости вращения лопастей мешалки 400 об/мин.

Порядок приготовления тампонажного раствора.

Взвешивают необходимое количество сухой смеси теплоизолирующего тампонажного материала. Навеску аккуратно засыпают в стакан лопастного смесителя с заранее приготовленной жидкостью затворения и перемешивают в течение 180±5 секунд при скорости вращения 1500±100 об/мин.

Результаты лабораторных испытаний заявленного теплоизолирующего тампонажного материала и физико-химические свойства известных тампонажных составов и заявленного тампонажного состава представлены в таблице 1.

Результаты лабораторных испытаний трех составов, указанных в таблице 1, свидетельствуют о том, что заявленный теплоизолирующий тампонажный материал обладает характеристиками, указывающими на его эффективность в сравнении с известными составами.

Использование заявленного теплоизолирующего тампонажного материала, обладающего высокими прочностными и адгезионными характеристиками тампонажного камня с низкой теплопроводностью при низких положительных и отрицательных температурах твердения, снижает риски возникновения осложнений, обусловленных растеплением ММП, позволяет обеспечить надежность конструкции скважинной крепи, эффективность герметизации затрубного пространства, а также сохранность устья и околоствольного пространства скважин в процессе всего цикла их строительства и эксплуатации в условиях ММП.