ТАМПОНАЖНЫЙ РАСТВОР Российский патент 1997 года по МПК E21B33/138 

Изобретение относится к строительству скважин, а именно к тампонажным материалам, предназначенным для цементирования нефтяных, газовых и других скважин.

При цементировании скважин наблюдается недоподъем тампонажного раствора до проектного уровня из-за поглощения его трещинами в рыхлых и пористых породах, а также в результате гидроразрыва пластов.

Для изоляции зон поглощения раствора в процессе его заканчивания в скважину известен тампонажный раствор, включающий портландцемент, закупоривающую добавку и воду.

Недостатком этого раствора является повышенная водопотребность из-за плохой прокачиваемости, необходимость вводить в раствор добавку определенного размера, зависящего от ширины и вида трещин в породе. Обычно для закупоривания трещин создают облегченные растворы с пониженными прочностными показателями затвердевшего камня с большой водо и газопроницаемостью, с низким сцеплением с трубой. Такие закупоривающие добавки непригодны для разобщения пластов особенно в зоне продуктивного пласта.

Известен тампонажный раствор для изоляции зон поглощения в скважине, включающий портландцемент, газовыделяющую добавку и воду следующего состава, мас.

Портландцемент 64,6
Жидкое стекло 1,55
Хлористый натрий 1,29
Алюминиевый порошок 0,13
Вода Остальное
Газовыделение сопровождается резкой потерей подвижности раствора. Рост объема и потеря подвижности во время нахождения этого раствора в поглощающем горизонте будут основными свойствами, обеспечивающими изоляцию зон поглощения.

Недостатком является то, что известный раствор применяется для неглубоких скважин с невысокой температурой и давлением. Для изоляции зон поглощения в зоне разобщения пластов с высокими температурой и давлением такой раствор непригоден, так как содержит недостаточное количество алюминиевого порошка, в результате чего расширения известного раствора не происходит.

Наиболее близким техническим решением, взятым за прототип, является способ цементирования скважин, включающий закачку тампонажного раствора, содержащего портландцемент, алюминиевую гидрофобизируемую пудру и воду. Положительным в известном способе является то, что раствор содержит повышенное количество алюминия до 0,5% и более от массы цемента, что позволяет при его использовании создавать расширение поглощенного раствора в трещинах при высоком давлении в зоне поглощения. Кроме того, известный раствор снижает вероятность гидроразрыва пластов в зоне разобщения пластов около продуктивного пласта из-за переохлаждения стенок скважины при цементировании обычным портландцементом горячих скважин.

Недостатком известного раствора является то, что до проявления изоляционного эффекта может поглотиться много раствора. Кроме того, в таком растворе не создается газовая фаза в микрогазовом состоянии, что позволяет газу диффундировать из раствора. Такой раствор является нестабилизированным.

Цель изобретения повышение качества изоляции зон поглощения в глубоких скважинах при одновременном повышении прочности и сцепления, сопротивления фильтрации воды цементного камня за счет повышенного сцепления с ограждающими поверхностями и создания расширяюще -напрягающего состояния в растворе и камне.

Цель достигается тем, что в известный раствор, содержащий портландцемент, алюминиевую пудру и воду дополнительно вводят закупоривающую добавку рыбью чешую ⊘ 5-20 мм пластификатор-разжижитель нитрилотриметилфосфоновую кислоту (НТФ), поверхностно -активное вещество неионогенное (НПАВ)-HG-12 фирмы "Буна" производства Германии и анионное поверхностно-активное вещество (АПАВ)-МЛ-72 на основе смесей синтетических ПАВ при следующем соотношении компонентов, мас.ч.

Портландцемент 100
Рыбья чешуя 1 4
Алюминиевая пудра 0,3 0,5
Пластификатор 0,03 0,05
НПАВ 0,015 0,025
АПАВ 0,015 0,025
Вода 50
Новым в предлагаемом тампонажном растворе является то, что он в качестве закупоривающего наполнителя содержит рыбью чешую, мас.ч. 1 4, которая наиболее эффективна для закупорки трещин, создавая непроницаемую оболочку вокруг трещин, что повышает изоляционные свойства алюминиевой пудры при мас.ч. 0,3 0,5 и количественное соотношение компонентов.

Рыбья чешуя ⊘ 5-20 мм относится к типу пластинчатых закупоривающих наполнителей и является эффектной для закупоривания трещин, расположенных параллельно стволу скважин. Часть чешуи уходит в трещину, часть, располагаясь перпендикулярно проникновению трещин в породу, образует оболочку и надежно предотвращает дальнейшее поглощение цементного раствора трещиной, что способствует хорошей изоляции зоны поглощения в рыхлых пористых породах и в случае гидроразрыва пластов. Чешуя имеет высокую прочность на разрыв, это придает ей армирующий характер в цементном камне. Чешуя имеет небольшую плотность 0,6 0,7 г/см³ и незначительно изменяет плотность цементного раствора, чешуя не имеет пор и не поглощает воду, но адсорбирует ее поверхностью. Для повышения сцепления чешуи с цементным камнем (матрицей) необходимо удалить с поверхности чешуи слизистую оболочку. Это достигается промывкой ее водой, но лучше в 5% -ном растворе кальцинированной соды (Na₂CO₃) при температуре 50 60^oC в течение 15 20 мин. После промывки раствор сливают, чешую высушивают в естественных условиях. На поверхности чешуи остается часть соды в результате хемсорбции, что дополнительно повышает прочность сцепления ее с камнем и повышает эффект армирования его. Введение чешуи в вяжущее повышает физико-механические показатели образующегося камня: механическую прочность, сцепление с ограждающими поверхностями, сопротивление фильтрации воды в системе труба-камень-стенка скважины, а также внутри трещины.

В цементном растворе, содержащем алюминиевую пудру ПАП -1, выпускаемую по ГОСТ 5494-71, генерируется микрогазовая фаза, которая ввиду малого диаметра может выталкиваться из раствора силой выталкивания этого раствора или даже диффундировать через затвердевший камень. Для предотвращения этого газонасыщенный цементный раствор, содержащий алюминиевую пудру ПАП-1, необходимо стабилизировать. Для стабилизации раствора и образующейся микрогазовой фазы в раствор при его приготовлении вводят эффективное анионоактивное ПАВ-МЛ-72 на основе смесей синтетических ПАВ: ТУ 84-348-73. Микрогазовый пузырек с адсорбированной пленкой из МЛ-72 образует агрегат намного большего диаметра по сравнению с газовым пузырьком, и это препятствует диффундированию его через раствор и затвердевший камень, что способствует поддержанию в нем порового давления в течение длительного времени.

Для придания гидрофильности гидрофобной алюминиевой пудре при приготовлении суспензии алюминия в воду суспензии вводят неионогенное поверхностно-активное вещество (НПАВ)-HG -12 фирмы "Буна" производства Германии. Недостатком чешуи является то, что она своей поверхностью создает дополнительное гидравлическое сопротивление трения. Это ухудшает прокачиваемость цементного раствора, особенно содержащего алюминиевую пудру, генерирующую газовую фазу. Для улучшения прокачиваемости цементного раствора, содержащего алюминий и чешую, в воду затворения вводят эффективный пластификатор- НТФ, выпускаемую по ТУ 6-02-11-72 -79.

Исследования по определению параметров и оптимального состава проводились согласно ГОСТ 1581-85, ГОСТ 26798.0 -85, ГОСТ 26798.2-85. Определялись физические параметры растворов и прочностные характеристики затвердевшего камня суточного твердения при температуре 75^oC и давлении 30 МПа. На основе тампонажного портландцемента ПЦТ 20 50, выпускаемого ПО "Сухоложскцемент", приготавливались растворы разного состава и определялись параметры на стандартном оборудовании. Прочностные характеристики определялись на ПЦК-1, относительная характеристика деформативности рассчитывалась как отношение прочности сжатия к изгибу. Сцепление камня с металлом определялось в трубе с внутренним диаметром 50 мм. Высота образца 50 мм. Сопротивление фильтрации воды определялось на специальном стенде, имитирующем приближенные условия в скважине, сцепление с металлом определяли также на этом стенде. Результаты приведены в таблице. Как видно из таблицы, загустеваемость раствора, содержащего алюминиевую пудру, сокращается по времени по отношению к чистому портландцементу в два раза. Загустеваемость и другие характеристики чистого цемента в таблице не приведены. Для чистого раствора загустеваемость составляет в среднем 2 ч 40 мин для принятых условий. Введение рыбьей чешуи в раствор, содержащий алюминиевую пудру, дополнительно снижает время загустеваемости и возможность прокачивать раствор в скважину. Производственными требованиями время прокачиваемости должно быть не менее 50 мин, чтобы доставить раствор в зону разобщения пластов вероятного гидроразрыва в них.

Время прокачиваемости раствора было взято за основу при выборе состава исследованных растворов.

Из таблицы (примеры 3 5) видно, что чешуя, промытая водой, дает камень с низкими прочностными показателями из-за плохого удаления слизи с поверхности чешуи, чем промытая раствором кальцинированной соды при температуре 60^oC. Для чешуи, обработанной содой, проявляется большее сцепление с контактной поверхностью в камне, отсюда высокие показатели прочности, сцепления с металлом и сопротивление фильтрации воды. С увеличением количества чешуи в камне эти показатели увеличиваются незначительно. Только при введении чешуи в раствор с содержанием алюминиевой пудры более мас.ч. 0,2 резко возрастают сцепление камня с металлом и сопротивление фильтрации воды (примеры 6 11), чем больше алюминиевой пудры и чешуи в растворе, тем выше эти показатели. Раствор с содержанием алюминия мас.ч. 0,6 даже при содержании чешуи мас.ч. 3 плохо прокачивается, несмотря на то, что НТФ содержится в растворе мас.ч. 0,6.

Таким образом, введение чешуи мас.ч. 1 4 в тампонажный цементный раствор, содержащий алюминиевую пудру мас.ч. 0,3 0,5, дает хорошие прочностные показатели, увеличивает сцепление с металлом и повышает сопротивление фильтрации воды. Содержание алюминиевой пудры ниже мас.ч. 0,3 (пример 1) не дает расширения раствора при давлении 30 МПа и несколько расширяется с мас.ч. 0,3 (примеры 2, 6, 10). Это указывает, что цементный раствор с содержанием алюминиевой пудры с мас.ч. 0,3 0,5 и чешуи с мас.ч. 2 4 является хорошим изоляционным тампонажным материалом как для закупорки трещин, так и для разобщения пластов.

Содержание чешуи в растворе определяется степенью его поглощения в пласт. Количество чешуи с мас. ч. 1 2 используют для поглощающих пластов рыхлых, пористых, мало склонных к гидроразрыву. С мас.ч. 3 4 для изоляции сильно поглощенных пластов, при вероятном возникновении гидроразрыва и образовании глубоких трещин. Содержание чешуи выше мас.ч. 4 ухудшает прокачиваемость раствора и незначительно влияет на прочностные характеристики затвердевшего камня. Нижний предел мас.ч. 0,3 алюминиевой пудры определяется возможностью расширяться при пластовом давлении 20 МПа (глубина скважины ≈2000 м), а верхний предел мас.ч. 0,5 для давления 30 МПа и выше (глубина скважины 3000 м и выше). Количество НПАВ и АПАВ зависит от содержания в растворе алюминиевой пудры при соотношении ПАВ/ПАП-1 как 1/20. Пределы содержания пластификатора НТФ определяются временем загустеваемости раствора и возможностью его прокачивания в заданную область скважин, в частности в зону изоляции и разобщения пластов. Это время составит 50 60 мин.

Пример. Берут 1000 г (мас.ч. 100) тампонажного портландцемента ПЦТ-Д20-50 ПО "Сухоложскцемент", в него вводят 40 г (мас.ч. 4,0) сухой рыбьей чешуи, предварительно промытой в 5%-ном растворе соды (Na₂CO₃) при температуре 60^oC в течение 15 20 мин и высушенной. Смесь перемешивают вручную. Отдельно приготавливают алюминиевую суспензию и жидкость затворения. Суспензия объемом 100 см³ содержит алюминиевую пудру с мас.ч. 0,4 в количестве 4 г, неионогенное поверхностно-активное вещество с мас.ч. 0,02 в количестве 0,2 г. Жидкость затворения содержит воду с мас.ч. 50, с учетом воды, затраченной на приготовление суспензии (В/Ц 0,5), в количестве 400 г, анионоактивное поверхностно -активное вещество с мас.ч. 0,02 в количестве 0,2 г, для образования микрогазовой фазы и стабилизации раствора, пластификатор - НТФ с мас. ч. 0,04 в количестве 0,4 г. Чешуйчато-цементную смесь затворяют на жидкости затворения, одновременно вливая в нее суспензию. Раствор перемешивают в лабораторной мешалке, заливают в формы и в цилиндрическую камеру с внутренним ⊘-50 мм прибора на стенде, имитирующем приближенные условия в скважине в зоне разобщения пластов. Формы помещают в ПЦК-1. Условия твердения: время 24 ч, температура 75^oC, давление 30 МПа. Определяют прочность образцов и относительную характеристику деформативности по отношению прочности сжатия к изгибу, сцепление камня с трубой и сопротивление фильтрации воды, величина которого равняется давлению, при котором оно начинает снижаться при миграции воды через систему камень-труба. Результаты приведены в таблице (опыт N 8).

Технология приготовления предлагаемого раствора заключается в следующем. Зная объем раствора и геолого -технические условия в скважине, рассчитывают количество компонентов. При затоваривании смесительной машины СМ-20 на определенное количество цемента, например на 4 мешка (по 50 кг) мас.ч. 100 добавляют 8 кг чешуи (мас.ч. 4). Затем смесь дважды перемешивают, используя второй смеситель. В емкости цементировочного агрегата СМ-320А приготавливают суспензию алюминиевой пудры, а в другом жидкость затворения. При цементировании зоны поглощения в смесительный лоток одновременно подают цементно-чешуйчатую смесь, суспензию и жидкость затворения, а затворенный раствор проталкивают до необходимого уровня в скважине.

Положительный эффект будет определяться количеством расходуемого раствора (цемента), временем между ремонтно -исправительными работами и качеством цементирования скважин.

Использование: в строительстве скважин и предназначено для приготовления тампонажных материалов для цементирования нефтяных, газовых и других скважин. Сущность: тампонажный раствор содержит, мас.ч.: портландцемент 100; алюминиевую пудру 0,3 - 0,5; анионное поверхностно-активное вещество - реагент МЛ-72, представляющий собой смесь алкилсульфоната и алкилбензолсульфоната натрия и полигликолевого эфира ди -трет-бутилфенола 0,015 - 0,025; неионогенное поверхностно -активное вещество - реагент HG-12 - оксиэтилированный изопропилфенол на основе тримеров пропилена 0,015 - 0,025; пластификатор - нитрилотриметилфосфоновую кислоту 0,02 - 0,05; воду 50. 1 табл.

Тампонажный раствор, включающий портландцемент, алюминиевую пудру и воду, отличающийся тем, что он дополнительно содержит рыбью чешую, анионное поверхностно-активное вещество реагент МЛ-72 смесь алкилсульфоната, алкилбензолсульфоната натрия и полигликолевого эфира ди-трет-бутилфенола, неионогенное поверхностно-активное вещество реагент HG-12 - оксиэтилированный изопропилфенол на основе тримеров пропилена и пластификатор нитрилотриметилфосфоновую кислоту при следующем соотношении компонентов, мас. ч.

Портландцемент 100
Алюминиевая пудра 0,3 0,5
Рыбья чешуя 1 4
Реагент МЛ-72 0,015 0,025
Реагент HG-12 0,015 0,025
Нитрилотриметилфосфоновая кислота 0,03 0,05
Вода 50е