ТАМПОНАЖНЫЙ РАСТВОР Российский патент 1997 года по МПК E21B33/138 

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

Применение серийных тампонажных портландцементов (ГОСТ 1581 85) не обеспечивает качественного разобщения вскрытых скважиной пластов. Получаемые из портландцементов тампонажные растворы нестабильны, имеют большой водоотстой, длительное время переходят из жидкого состояния в твердое, а формируемые камни подвержены усадке, обладают повышенной хрупкостью и низкой деформативностью. Для качественного цементирования скважин, особенно при разобщении пластов в зоне продуктивных, необходимо использовать расширяющиеся тампонажные материалы на основе расширяющихся и напрягающих добавок.

Известен тампонажный раствор, содержащий портландцемент, расширяющую добавку-оксид кальция (негашеная известь) и воду [1] Для скважин с умеренно высокой температурой, в раствор дополнительно входят молотый кварцевый песок для повышения прочности камня. Цемент характеризуется повышенной величиной расширения 3-6 от момента начала схватывания, которое полностью прекращается через 6-12 ч в условиях умеренных температур. Расширение известного раствора обеспечивает давление на стенки скважин и обсадную трубу в пределах 1-2 МПа, что способствует уплотнению контакта и снижению газо- и водопроницаемости.

Недостатком известного раствора является то, что оксид кальция быстро гидротируется, превращаясь в гидрат (портландцемент) до начала процесса структурообразования и не вызывает расширения тампонажного раствора. Расширение поступает, когда образуется прочный каркас при затвердевании раствора, способный расширяться, не разрушаясь под кристаллизационным давлением, образующегося портландцемента. До этого момента раствор обводняется за счет миграции пластовой воды в тампонажный раствор в период ожидания затвердения цемента (ОЗЦ), когда вероятность разрушения образующегося скелета тампонажного раствора высоконапорным пластовым флюидом как известно, более высока в начальный период твердения тампонажной суспензии.

Наиболее близким техническим решением, взятым за прототип, является раствор, содержащий портландцемент, расширяющую добавку на основе оксида кальция, подвергнутому высокотемпературному обжигу при 1500^oC и воду [2] Высокотемпературный обжиг позволяет замедлить гидратацию оксида кальция в ранние сроки до образования прочного кристаллизационного каркаса, способного выдерживать кристаллизационное давление портландцемента и пластовое давление воды и получить линейное расширение 4-10% без ухудшения технологических и физико-механических свойств раствора и камня.

Недостатком известного раствора является то, что в нем также проявляется миграция воды (флюида) в еще незатвердевший раствор под напором ниже расположенных водных пластов в период ОЗЦ, что приводит к обводнению закаченного в зону разобщения пластов известного раствора и снижению качества затвердевшего камня.

Задачей изобретения является повышение качества изоляции затрубного пространства при цементировании скважин за счет создания напряжения на контакте незатвердевшего раствора в период ОЗЦ и ограждающими поверхностями, превышающего пластовое давление при одновременном повышении сцепления камня с трубой и сопротивление фильтрации воды в затрубном пространстве путем поддержания порового давления в напряженно затвердевшем камне при улучшении физико-механических свойств раствора и камня.

Задача решается тем, что в известный тампонажный раствор, содержащий портландцемент, расширяющую добавку из оксида кальция высокотемпературного обжига (НРС-1) и воду дополнительно вводят газовыделяющую добавку - алюминиевую пудру (ПАП-1), неионогенное поверхностно-активное вещество (НПАВ), анионное поверхностно-активное вещество (АПАВ) и пластификатор-нитрилотриметилфосфоновую кислоту (НТФ), при следующем соотношении компонентов, мас.ч.

Портландцемент 100
Расширяющая добавка 4-8
Газовыделяющая добавка 0,3-0,5
НПАВ 0,015-0,025
АПАВ 0,015-0,025
Пластификатор 0,02-0,05
Вода 50
Новым в предлагаемом тампонажном растворе является состав и количественное соотношение компонентов, что при совместном наличии в портландцементном растворе расширяющей добавки оксида кальция высокотемпературного обжига НРС-1 4-8, мас.ч. выпускаемого опытным заводом ВНПО стеновых и вяжущих материалов, алюминиевой пудры ПАП-1 (ГОСТ 5494-71) 0,3-0,5 мас.ч. НПАВ (HG-12) фирмы Буна производства Германии, АПАВ-МЛ-72 на основе смесей синтетических ПАВ (ТУ 84-348-73) и пластификатора НТФ (ТУ 6-02-11-72-79) образуется раствор, обладающий новыми положительными свойствами, повышающими тампонирующую способность раствора при разобщении пластов на сложнопостроенных месторожниях в Западной Сибири. Достоинством предлагаемого раствора является то, что в незатвердевшем еще растворе в период ОЗЦ создается напряжение на контакте между ним и ограждающими поверхностями, превышающие пластовое. Это напряжение передается затвердевшему раствору и камню, что увеличивает напрягающие свойства камня от расширяющей и напрягающей добавки оксида кальция (НРС-1) и сохраняет это напряжение более длительное время, чем от одной добавки оксида кальция. Объясняется тем, что при расширении цементного камня в стесненных условиях при введении только одного оксида кальция в затвердевающем цементном камне создается напряжение в кристаллической структуре камня, и в порах при всестороннем сжатии их объема твердой фазой. Но такая система неравновесна, так как обладает повышенной внутренней свободной энергией связи. Система в напряженном неравновесном состоянии стремится снизить свободную внутреннюю энергию напряжения, за счет релаксации этого напряжения в камне начинают идти процессы рекристаллизации (изменение гобитуса кристаллов), перекристаллизации кристаллических фаз с высокой энергией в более равновесную устойчивую кристаллическую фазу. Достигнутое в течении 4-6 ч при твердении камня напряжение в камне будет снижаться и напряженный камень постепенно превратится в обычный. Поровое давление в нем в процессе релаксации также будет снижаться. Газовыделяющая добавка алюминиевая пудра создает в растворе и камне газовое поровое давление, которое компенсирует снижение напряжения в камне. Реакция газовыделения идет длительное время с затуханием, пока все частицы алюминия полностью не прореагируют с гидроокисью кальция, находящегося в жидкой фазе порового пространства. Доказательством тому является следующий опыт. Так, стакан с влитым в него цементным раствором, содержащим алюминиевую пудру, был помещен в воду при нормальных условиях и растрескался через 15-35 сут. в зависимости от содержания алюминия в растворе. Максимальное же напряжение в растворе с алюминием в стесненных условиях создается в течении 1-2 ч. Пора в камне также находится в стесненных условиях, поэтому частица алюминия по мере возникновения стехиометрического состава компонентов для реакции

будет выделять водород и поддерживать поровое давление, значит и напряженное состояние в камне. Это приводит к длительному сохранению напряжения в нем. Общее повышение напряжения в камне от расширения кристаллического каркаса и генерирования газовой фазы повышает сопротивление трения камня сдвигу относительно ограждающих поверхностей, газо- и водонепроницаемость его в результате повышения сопротивления фильтрации воды в затрубном пространстве. Недостатком предлагаемого раствора является быстрое загустевание его, так как микрочастицы алюминиевой пудры являются центрами кристаллизации трехкальциевого гидроалюмината, что повышает коагуляционное структурообразование. Необходимо введение в раствор такого эффективного диспергатора и разжижителя как НТФ, без введения которого было бы невозможно прокачивать раствор с содержанием алюминия более 0,2 мас. ч.

Исследование цементного раствора, содержащего комплексную добавку НРС-1 и ПАП-1, а также известный раствор, содержащий только добавку НРС-1 проводили согласно ГОСТ 1581-85 и ГОСТ 26798.0-85 ГОСТ 26798.2-85. Прочностные показатели определяли на ПЦК-1 при 75^oC и давлении 30 Мпа. Загустеваемость раствора на КЦ-3. Сцепление камня с трубой с внутреннем диаметром 50 мм, длиной образца 100 мм, а также расширение раствора и напряжение в нем на специально сконструируемом в СибНИИНП, приборе. Расширение камня на приборе ОЦК-1, сопротивление фильтрации воды определяли на стенде, создающем условия, приближенные скважинными в зоне разобщения пластов. В опытах использовался тампонажный портландцемент марки ПЦТД20-50 ПО "Сухоложскцемент", вода питьевая.

Пример. Берут 1000 г Сухоложского тампонажного портландцемента в сухом состоянии 100 мас.ч. и смешивают в ручную с 60 г расширяющейся добавкой высокообоженной окиси кальция (НРС-1) 6 мас.ч. Отдельно приготавливают суспензию из алюминиевой пудры (ПАП-1), для чего берут 100 г воды, в нее вводят 3 г алюминиевой пудры 0,3 мас.ч. и 0,015 г неионогенное поверхностно-активное вещество (HG-12) 0,15 мас.ч. Приготавливают жидкость затворения, для чего в 400 г воды количество воды берут с вычетом 100 г идущей на приготовление суспензии алюминия (500-100= 400 при В/ц=0,5) вводят 0,2 г пластификатора 0,02 мас.ч.) и анионное поверхностно-активное вещество МЛ-72, 0,015 (0,15г) мас. ч. Смесь портландцемента с расширяющей добавкой (НРС-1) затворяют на жидкости затворения и одновременно вливают суспензию алюминиевой пудры. Раствор перемешивают в лабораторной мешалке, определяют физические свойства раствора. Одновременно заливают форму и сосуд прибора на стенде. Форму с раствором помещают в ПЦК-1. Раствор выдерживают в течение 24 ч при 75^oC и P= 30 МПа, полученные образцы испытывают на прочность. Относительную сравнительную деформативность оценивали по отношению прочности сжатия к изгибу. Сосуд с раствором на стенде также выдерживают 24 ч при 75^oC и замеряют повышение давления в растворе в течение 1 сут. через каждые 30 мин. Давление, развиваемое в растворе до начала схватывания его указывает, какое напряжение создается между еще не затвердевшим раствором и внутренними поверхностями в сосуде. Затем давление в сосуде сбрасывают и определяют сцепление камня с трубой и сопротивление фильтрации воды через сосуд с затвердевшим раствором (суточное сопротивление фильтрации) в МПа. Данные опыта приведены в табл.2, опыт N 8.

Анализ табл.1 показывает, что в растворе, содержащим только оксид кальция (НРС-1), напряжение до начала схватывания отсутствует (опыт 1,2,3). При добавлении алюминиевой пудры в зависимости от заданного первоначального давления на раствор создается напряжение в растворе, которое снижается при увеличении заданного давления. Напряжение в растворе отсутствует (опыт 4, 5, 6) при заданном давлении в 30 Мпа ввиду недостаточного количества в растворе алюминиевого порошка. Так, в опыте 8 при содержании алюминия 0,3 мас.ч. и оксида кальция 6 мас. ч. в растворе при заданном давлении 10, 20, 30 Мпа генерируется давление, превышающие заданное на 10,2; 5,0; 2,6 Мпа, а в затвердевшем камне 16,3; 9,8; 8,2 Мпа. Таким образом, напряжение, генерируемое в растворе, переходит в затвердевший камень и усиливает напряжение в нем от введения оксида кальция. Сравнивая напряжения от расширения только одного оксида кальция (опыт 2) 6,5 6; 5,4, видим, что оно значительно меньше, чем при совместном содержании оксида кальция и алюминиевой пудры. В таблице 2 показано, что при введении алюминиевой пудры в раствор, содержащий оксид кальция (НРС-1) повышается сцепление камня с трубой за счет увеличения напряжения в нем и сил трения при обжатии трубы цементным кольцом. В результате уплотнения камня, высокого порового давления и прочного контакта камня с поверхностью трубы увеличивается сопративление фильтрации воды через систему камень-ограждающие поверхности. При добавления алюминиевой пудры в раствор, содержащий оксид кальция (НРС) прочность изгиба мало изменяется по сравнению с прочностью сжатия, которая несколько снижается в сравнении с прототипом. Это позволяет повысить деформативность и трещиностойкость камня. Содержание алюминиевой пудры менее 0,3 мас. ч. малоэффективно при высоких пластовых давлениях более 20 Мпа, а при содержании более 0,5 мас.ч. раствор быстро загустевает чтобы его можно было прокачать в зону разобщения пластов (опыт 16,17). Содержание оксида кальция более 8 мас.ч. мало изменяет качество тампонирующей способности, характеристики меняются незначительно. Количество поверхностно-активных веществ и пластификатора определяется содержанием алюминиевой пудры в растворе.

Таким образом, установлено, что предлагаемый раствор позволяет создавать напряжение в незатвердевшем растворе в период ОЗЦ на контакте с ограждающими поверхностями, что предотвращает его обводнение в этот период. Создавшееся напряжение переходит в затвердевающий камень и усиливает напряжение в камне в результате кристаллизационного давления от расширяющейся и напрягающей добавки оксида кальция (НРС-1), путем поддержания порового давления в камне в течении длительного времени.

Положительные качества тампонирующей способности предлагаемого раствора для разобщения пластов на месторождениях в Западно-Сибирском регионе позволяют повысить сопротивление фильтрации флюидов раствора, после его закачивания, и камня, что снизит обводнение скважин в процессе их эксплуатации, даст экономический эффект при его применении.

Технология приготовления раствора состоит в следующем: в баке ЦА-320 готовят суспензию алюминиевой пудры. Расширяющую добавку НРС-1 в расчетном количестве перемешивают в смесительной машине СМ-20А. При цементировании скважины расчетное количество раствора с добавками получают путем одновременного затворения, в которую вливают с расчетной объемной скоростью суспензию алюминиевой пудры. Сама технология закачивания тампонажного раствора ничем не отличается от общепринятой технологии крепления скважин.

Использование: строительство скважин и предназначено для тампонажных материалов, используемых при креплении скважин. Сущность изобретения: тампонажный раствор содержит (мас. ч.): портладцемент 100, расширяющую добавку НРС-1 4-8; алюминиевую пудру ПАП-1 0,2-0,5; анионное поверхностно-активное вещество (реагент МЛ-72) 0,015-0,025; нетоногенное поверхностно-активное вещество 0,015-0,025; пластификатор (нитрилотриметилфосфоновую кислоту) 0,02-0,05 и воду 50. 2 табл.

Тампонажный растор, включающий портландцемент, расширяющую добавку НРС-1 и воду, отличающийся тем, что он дополнительно содержит алюминиевую пудру ПАП-1, анионное поверхностно-активное вещество реагент МЛ-72 смесь алкилсульфоната, алкилбензолсульфоната натрия и полигликолевого эфира ди-трет-бутилфенола, неионогенное поверхностно-активное вещество реагент NG-12 оксиэтилированный изопропилфенол на основе тримеров пропилена, и пластификатор нитрилотриметилфосфоновую кислоту при следующем соотношении ингредиентов, мас. ч.

Портландцемент 100
Расширяющая добавка НРС-1 4 8
Алюминиевая пудра ПАП-1 0,3 0,5
Анионное поверхностно-активное вещество реагент МЛ-772 смесь алкилсульфоната, алкилбензолсульфоната натрия и полигликолевого эфира ди-трет-бутилфенола 0,015 0,025
Неионогенное поверхностно-активное вещество NG-12
оксиэтилированный изопропилфенол на основе тримеров пропилена 0,015 - 0,025
Пластификатор нитрилотриметилфосфоновая кислота 0,02 0,05
Вода 50е