RU2154727_Цементный-раствор+CaClNaClMgCl

ТАМПОНАЖНЫЙ ЦЕМЕНТНЫЙ РАСТВОР
Патент Российской Федерации
Суть изобретения:
Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, к тампонажным
цементным растворам. Тампонажный цементный раствор, включающий цемент и
жидкость затворения, в качестве жидкости затворения содержит пластовую воду
нефтяного месторождения следующего состава, мас.%: хлорид магния до 0,15;
хлорид кальция 2 - 4; хлорид натрия 4 - 8; вода - остальное. За счет совместного
использования хлоридов кальция и натрия пластовой воды нефтяного месторождения в
жидкости затворения при одновременном уменьшении концентрации ионов магния в 10 и
более раз (до 0,15) осуществляется технический результат - повышение механической
прочности цементного камня, непроницаемости, сцепления с обсадными трубами и
стенкой скважины, уменьшение магнезиальной коррозии. 3 табл.
Номер патента:
2154727
Описание изобретения:
Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к
тампонажным цементным растворам.
Известно использование минерализованной, в частности, морской воды в качестве
жидкости затворения для производства бетона и железобетона. Однако существует
ограничение по общему содержанию растворенных солей, которое не должно превышать
35 г/л, то есть 3,5 мас.% (Бабушкин В.И. Физико-химические процессы коррозии бетона и
железобетона. - М.: Стройиздат, 1968, с. 33).
Известно использование насыщенного раствора хлорида натрия в жидкости затворения
тампонажного цементного раствора для повышения стойкости цементного камня в
соленосных и в неустойчивых глинистых отложениях (Булатов А.И., Мариампольский Н.
А. Регулирование технологических показателей тампонажных растворов. - М.: Недра,
1988, с. 58).
При содержании хлорида натрия в жидкости затворения более 5% происходит замедление
сроков схватывания, что нежелательно, особенно при креплении кондукторов (см. там же,
с. 59).
Наиболее близким техническим решением предлагаемому тампонажному цементному
раствору является раствор, в котором количество хлорида кальция в жидкости затворения
доходит до 3% (см. там же, с. 59).
Недостатком известного раствора является то, что дальнейшее увеличение содержания
хлорида кальция приводит к снижению прочности на изгиб образцов 7-28-суточного
хранения.
Целью предлагаемого технического решения является повышение механической
прочности цементного камня, а также непроницаемости, сцепления с обсадными
трубами и стенкой скважины, уменьшение магнезиальной коррозии.
Указанная цель достигается тем, что в тампонажном цементном растворе,
включающем цемент и жидкость затворения, согласно изобретению в качестве
жидкости затворения цементный раствор содержит пластовую воду нефтяного
месторождения следующего состава, мас.%:
Хлорид магния - До 0,15
Хлорид кальция - 2-4
Хлорид натрия - 4-8
Вода - Остальное
Сутью данного технического решения является то, что повышение прочности
цементного камня достигается за счет совместного использования хлоридов кальция и
натрия пластовой воды нефтяного месторождения в жидкости затворения при
одновременном уменьшении концентрации ионов магния в 10 и более раз (до 0,15%).
В пластовой воде содержание хлорида магния достигает 1,76%. Наиболее характерные
значения содержания основных солей в пластовых водах девонского горизонта приведены
в таблице 1.
Ионы магния замещают в узлах кристаллизационной решетки цементного камня ионы
кальция. Ионы магния обладают меньшим радиусом (0,78·10-10 м) по сравнению с ионами
кальция (1,06·10-10 м) и замещение ионами магния ионов кальция приводит к ослаблению
кристаллизационной решетки. Кроме того, если в качестве жидкости затворения
используют неочищенную от магния пластовую воду, происходит реакция хлорида
магния с гидроокисью кальция с образованием малорастворимой гидроокиси магния.
Растворимость Mg(OH)2 (0,018 г/л) значительно, почти в сто раз, меньше, чем
растворимость Ca(OH)2 (1,6 г/л), поэтому реакция идет в сторону образования гидроокиси
магния. Связывание OH-ионов в гидроокись магния сопровождается понижением pH
поровой жидкости (до pH= 10), что создает благоприятные условия для постепенного
растворения и гидролиза гидратных новообразований в цементном камне, что, в свою
очередь, приводит к развитию магнезиальной коррозии (Бабушкин В.И. Физикохимические процессы коррозии бетона и железобетона. - М.: Стройиздат, 1968, с. 139).
Плотность примыкания цементного камня с одной стороны к горной породе, а с другой - к
обсадной колонне определяет герметичность затрубного пространства, надежность
разобщения газо-, нефте- и водосодержащих пластов. В этом смысле основными
критериями пригодности затвердевшего тампонажного цементного раствора является
непроницаемость, хорошая адгезия камня к трубам и горной породе. Влияние добавок
хлористого натрия на прочность сцепления цементного камня с металлом и глинистой
породой приведена в таблице 2 (Булатов А.И., Мариампольский Н.А. Регулирование
технологических показателей тампонажных растворов. - М.: Недра, 1988, с. 176, таблица
47).
Осмотические явления, обуславливающие переток жидкостей через цементный камень,
приводят к образованию трещин в камне и контактирующих с ним породах. В результате
осмоса в скважину начинает поступать вода из пластовой жидкости. Обратные перетоки,
направленные в сторону пласта, загрязняют продуктивные горизонты и могут вызвать
снижение нефтеотдачи. Непроницаемость цементного камня достигается добавлением в
жидкость затворения 5-10% хлорида натрия (Булатов А.И., Мариампольский Н.А.
Регулирование технологических показателей тампонажных растворов. - М.: Недра, 1988,
с. 179).
Таким образом, отличительным признаком предлагаемого изобретения является то, что
технический результат, а именно повышение прочности цементного камня, достигается за
счет совместного использования заявленных количеств солей кальция и натрия пластовой
воды в жидкости затворения при одновременном уменьшении концентрации ионов
магния в 10 и более раз (с 1,7 до 0,15%). Кроме того, использование заявленных количеств
солей пластовой воды нефтяного месторождения в жидкости затворения обеспечивает
появление дополнительного положительного результата: увеличение непроницаемости,
сцепления с обсадными трубами и стенкой скважины, уменьшение магнезиальной
коррозии цементного камня.
Пример конкретного использования. Для приготовления жидкости затворения
использовали пластовую воду девонского горизонта, содержание хлорида магния в
которой составляет около 1,7%.
Для удаления MgCl2 из пластовой воды нефтяного месторождения в виде Mg(OH)2
использовали строительную известь (ГОСТ 9179-77). Вследствие того что растворимость
Mg(OH)2 (0,018 г/л) значительно меньше, чем Ca(OH)2 (1,6 г/л), реакция идет в сторону
образования Mg(OH)2:
При добавлении в пластовую воду расчетных 14 г/л извести количество хлорида магния
снижается только до 0,78%, что не обеспечивает приемлемое снижение магнезиальной
коррозии. Как указано в работе (Бабушкин В.И. Физико-химические процессы коррозии
бетона и железобетона. - М.: Стройиздат, 1968, с. 139), уже при 0,259%-ной концентрации
сульфата магния весь гидрат окиси кальция будет израсходован. Поэтому для более
полного осаждения хлорида магния известь была введена с избытком. Введение в
пластовую воду 20 г/л строительной извести обеспечило снижение хлорида магния до
0,30%. При дальнейшем разбавлении пластовой воды для приготовления жидкости
затворения в 2 и более раз содержание хлорида магния уменьшается до 0,15% и меньше.
Эта концентрация принята в качестве верхнего предела содержания хлорида магния в
жидкости затворения. С целью определения влияния солей (CaCl2, MgCl2 и NaCl в разных
сочетаниях) на основные характеристики тампонажного цементного раствора и
цементного камня для приготовления цементного раствора с постоянным водоцементным
отношением, равным 0,5, в качестве жидкости затворения использовали очищенную от
хлористого магния пластовую воду с плотностью 1,194 (п.3, табл. 3), исходную пластовую
воду с плотностью 1,189 (п.2) и пресную водопроводную воду (п.1) и растворы хлорида
кальция в водопроводной воде (п.4). Плотности очищенной пластовой воды при
содержании в ней хлорида кальция 5%; 4%; 3% и 2% составили 1,147; 1,102; 1,072 и 1,051
г/см3 соответственно.
Результаты лабораторных испытаний приведены в таблице 3. Как видно из таблицы, при
низкой концентрации солевого раствора существенного повышения механической
прочности цементного камня не происходит (см. табл. 3). Использование в качестве
жидкости затворения пластовой воды, разбавленной до содержания в ней 2% NaCl и 1%
CaCl2, по сравнению с использованием пресной воды, приводит лишь к незначительному
росту прочностных характеристик (через 2 суток затвердевания: σизг.пр. = 26 кгс/см2, σизг.пл.
= 30 кгс/см2, σcж.пр. = 61,3 кгс/см2, σcж.пл. =82 кгс/см2). Прочностные характеристики
цементного камня значительно возрастают при содержании в жидкости затворения 2-4%
хлорида кальция и 4-8% хлорида натрия (при 3% CaCl2 и 6% NaCl; σизг.2cут. = 48 кгс/см2,
σcж.2cут. =118 кгс/см2). При дальнейшем увеличении количества CaCl2 и NaCl прочностные
характеристики цементного камня продолжает расти, но одновременно уменьшается
растекаемость цементного раствора (при 4% CaCl2 и 8% NaCl растекаемость 18 см; а при
5% CaCl2 и 10% NaCl растекаемость 14,5 см). Тампонажный раствор с растекаемостью
14,5 см сохраняет подвижность лишь в течение 30 минут после затворения. Затем он
загустевает настолько, что прокачивание его насосами становится невозможным.
Используя стандартную тампонажную технику произвести за это время закачивание и
продавку цементного раствора в скважину практически невозможно.
Из описанного выше следует, что оптимальные характеристики тампонажного раствора и
цементного камня достигаются при использовании в качестве жидкости затворения
пластовой воды, очищенной от хлорида магния и разбавленной до следующего солевого
состава, мас.%:
Хлорид магния - До 0,15
Хлорид кальция - 2-4
Хлорид натрия - 4-8
Вода - Остальное
Повышение прочности цементного камня достигается за счет совместного присутствия
хлоридов кальция и натрия пластовой воды нефтяного месторождения в жидкости
затворения при одновременном уменьшении концентрации ионов магния в 10 и более раз
(до 0,15%). Кроме того, использование заявленных количеств солей пластовой воды
обеспечивает появление дополнительного положительного результата: увеличение
непроницаемости, сцепления с обсадными трубами и стенкой скважины, уменьшение
магнезиальной коррозии цементного камня.
Формула изобретения:
Тампонажный цементный раствор, включающий цемент и
жидкость затворения, отличающийся тем, что в качестве
жидкости затворения он содержит пластовую воду нефтяного
месторождения следующего состава, мас.%:
Хлорид магния - До 0,15
Хлорид кальция - 2 - 4
Хлорид натрия - 4 - 8
Вода - Остальное