СПОСОБ СОЗДАНИЯ РАЗДЕЛИТЕЛЬНОГО СЛОЯ НА ПОВЕРХНОСТИ НАСЫЩЕННОГО РАСТВОРА КАМЕННОЙ СОЛИ В ПОДЗЕМНОМ РЕЗЕРВУАРЕ Российский патент 2011 года по МПК E21B33/14 

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, в частности к эксплуатации подземных резервуаров, создаваемых в толще отложений каменной соли для хранения природного газа.

Функционирование таких резервуаров связано со строительством и периодическим капитальным ремонтом эксплуатационных скважин. Одна из проблем качественного ремонта скважин заключается в эффективном цементировании низа обсадной колонны. Этот технологический процесс обычно включает приготовление цементного тампонажного раствора, закачку его из-под башмака обсадной колонны или через перфорационные отверстия в колонне в затрубное пространство и выдержку до образования цементного камня.

Существуют многочисленные источники информации (монографии, учебные и технологические пособия, статьи в периодических изданиях и патенты), где подробно описаны технологические приемы первичного и вторичного цементирования обсадных колонн скважин различного назначения (Большой справочник инженера нефтегазодобычи. Бурение и заканчивание скважин / Под ред. У.Лайонза и Г.Плизга, пер. с англ., СПб.: Профессия, 2009, с.492-526).

В большинстве рассматриваемых случаев предполагается, что объем забойного пространства в интервале ниже уровня башмака обсадной колонны или объем перфорационных отверстий соизмерим с объемом внутритрубного и свободного затрубного пространства.

Однако эту схему цементирования обсадных колонн нельзя реализовать в случаях, когда необходимо повторно цементировать низ обсадной колонны, «зависшей» в кровле подземного резервуара большого объема в результате разрушения и обрушения, а также растворения в пластовых или технологических водах прилегающей горной породы.

В качестве аналогов описываемого способа можно рассматривать способы ремонта скважин подземных резервуаров, описываемые в патентах №2211300, 2003, №2352754, 2009, при реализации которых используют принцип создания с помощью вязко-пластичных составов разделительных пробок (буферных зон) между рабочим объемом подземного резервуара и пространством, заполняемым тампонажным раствором.

Наиболее близким к изобретению является способ герметизации скважины подземного резервуара, заполненного рассолом, изложенный в описании изобретения к патенту №2348793, 2009, включающий создание разделительного слоя на поверхности насыщенного раствора каменной соли подземного резервуара. При осуществлении этого способа резервуар предварительно заполняют насыщенным раствором поваренной соли (рассолом), в его горловине под башмаком обсадной колонны труб создают свободное пространство, извлекая часть рассола, вводят в скважину смесь дизельного топлива, глины и карбоксиметилцеллюлозы в соотношении, мас.%: 58:38:4, создающую на поверхности рассола плавающий изолирующий слой, закрывают подвесную колонну труб у башмака, перфорируют ее стенки. На указанный слой после образования пластичной глинистой пробки подают раствор минерального вяжущего - раствор портландцемента. Извлекают подвесную колонну труб на поверхность, подают герметизирующий состав - шлам магниевого производства или нефелиновый концентрат, обработанный серной кислотой, с помощью продавочной жидкости - извлеченного рассола, и выдерживают под давлением до отверждения. По достижении герметичности затрубного пространства отвержденные материалы разбуривают вдоль вертикальной оси скважины и спускают подвесную колонну труб в резервуар.

Изложенная процедура вторичного цементирования обсадной колонны состоит из ряда разнотипных технологических операций, в частности многостадийной подготовки и формирования на поверхности рассола плавающего изолирующего (разделительного, или буферного) слоя. Этот слой играет решающую роль в реализации способа, поскольку ему надлежит выдержать без деформации и повреждений нагрузку наслаиваемого на него раствора портландцемента, придающего разделительному слою жесткость, а затем герметизирующего (тампонажного) состава, закачиваемого в затрубное пространство.

Однако материал изолирующего слоя после нанесения на поверхность рассола не способен к переходу из вязко-пластического в отвержденное состояние с приобретением упругих свойств твердого тела, что необходимо для усиления его несущей способности. Этот недостаток обусловлен физико-химическими свойствами компонентов используемого материала, дисперсная структура которого относится к обратимым тиксотропным системам коагуляционного типа и в принципе не может трансформироваться в необратимые системы конденсационно-кристализационного типа. Кроме того, как показывает расчет, степень объемного заполнения системы с низковязкой жидкой дисперсионной средой (дизельным топливом) твердыми не растворимыми в этой среде дисперсными материалами (глиной и карбоксиметилцеллюлозой) составляет всего 20%. Учитывая, что дисперсионная среда гидрофобна, а обе дисперсные фазы гидрофильны, причем система не содержит никаких кросс-агентов для химической «сшивки» использованных ингредиентов, данная дисперсная структура не может обладать необходимыми прочностными характеристиками.

Далее, недостатком данной композиции является ее невысокая «плавучесть». Согласно расчету, исходя из плотности и доли каждого ингредиента в смеси, ее плотность составляет 1,18 г/см³, тогда как плотность рассола 1,20 г/см³. Такое незначительное различие в значениях плотности рассола и разделительного слоя (0,02 г/см³) требует, чтобы этот слой имел значительную толщину - не менее 3-4 м (см. пример 1 из описания патента). Иначе, даже при достаточной механической прочности слоя, сила гидростатического выталкивания будет недостаточной для противодействия внешним нагрузкам.

Задачей данного изобретения является упрощение способа создания разделительного слоя, повышение его качественных характеристик.

Поставленная задача решается описываемым способом создания разделительного слоя на поверхности насыщенного раствора каменной соли в подземном резервуаре, включающим заполнение резервуара рассолом до уровня ниже башмака обсадной колонны эксплуатационной скважины, нанесение на поверхность рассола плавающего слоя вязко-пластичного состава с последующим нанесением на него раствора минерального вяжущего, в котором, согласно изобретению, в качестве вязко-пластичного состава используют отверждающуюся под действием рассола жидкую композицию, предварительно полученную смешением пленкообразующей полимерной дисперсии и дисперсного наполнителя низкой плотности, а в качестве раствора минерального вяжущего используют предварительно полученную смесь минерального вяжущего, пленкообразующей полимерной дисперсии, дисперсного наполнителя низкой плотности и воды.

Предпочтительно используют жидкую композицию, в которой в качестве пленкообразующей полимерной дисперсии применяют полиуретановую или акрилполиуретановую дисперсию, а в качестве дисперсного наполнителя низкой плотности - алюмосиликатные или стеклянные полые микросферы при следующем соотношении компонентов, мас.%:

полиуретановая или акрилполиуретановая дисперсия - 60-75 алюмосиликатные или стеклянные полые микросферы - 25-40

Предпочтительно также используют раствор минерального вяжущего, приготовленный смешением особо тонкодисперсного минерального вяжущего, алюмосиликатных полых микросфер, пленкообразующей полимерной дисперсии и воды при следующем соотношении компонентов, мас.%:

особо тонкодисперсное минеральное вяжущее - 35-45 алюмосиликатные полые микросферы - 10-15 пленкообразующая полимерная дисперсия - 12-20 вода - остальное, до 100

Достигаемый технический результат заключается в упрощении способа создания разделительного слоя за счет сокращения продолжительности и трудоемкости подготовительных технологических операций к процессу его формирования на поверхности рассола, улучшения его функциональных характеристик (снижения плотности при одновременном повышении показателей физико-механических свойств), что приводит к снижению трудовых, материальных и энергетических затрат и повышению надежности и технологичности создания указанного слоя при вторичном цементировании низа обсадной колонны при капитальном ремонте скважины подземного резервуара.

Описываемый способ осуществляют следующим образом: подземный резервуар заполняют рассолом до уровня ниже башмака обсадной колонны эксплуатационной скважины. На поверхность указанного насыщенного раствора каменной соли подземного резервуара наносят плавающий слой вязко-пластичного состава. Затем на этот слой наносят раствор минерального вяжущего.

В качестве вязко-пластичного состава используют отверждающуюся под действием рассола жидкую композицию, предварительно полученную смешением пленкообразующей полимерной дисперсии и дисперсного наполнителя низкой плотности.

В качестве раствора минерального вяжущего используют предварительно полученный смешением минерального вяжущего, пленкообразующей полимерной дисперсии, дисперсного наполнителя низкой плотности и воды.

В описываемом способе в качестве минерального вяжущего возможно использовать материалы различных типов и марок: особо тонкодисперсное минеральное вяжущее (микродур), портландцемент, шлако-портландцемент.

В качестве пленкообразующей полимерной дисперсии возможно использовать, такие, как, например, полиуретановые, акрилполиуретановые, акриловые, поливинилацетатные дисперсии, синтетические латексы разных типов, а также смеси перечисленных продуктов.

В качестве дисперсного наполнителя низкой плотности возможно использовать различные материалы, например полые микросферы разных типов: алюмосиликатные, стеклянные, керамические, полимерные.

Способ иллюстрируется примером, описывающим изобретение, но не ограничивающим его.

Пример

Материалы, использованные в экспериментах:

- Полиуретановая дисперсия Аквапол 10 (ТУ 2251-373-10488057-2004).

- Полиуретановая дисперсия Аквапол 11 (ТУ 2251-372-10488057-2004).

- Микросфера алюмосиликатная (ТУ 5717-001-11843486-2004), плотность 0,40-0,75 г/см³, насыпная плотность 418-425 кг/м³, диаметр частиц не более 500 мкм.

- Микросфера стеклянная, 3М Glass Bubles, насыпная плотность 125-600 кг/м³.

- Микродур RU - особо тонкодисперсное минеральное вяжущее (ОТДВ), диаметр частиц не более 9,5 мкм.

- Дисперсия поливинилацетатная гомополимерная грубодисперсная, ГОСТ 18992-80.

- Портландцемент тампонажный (ПЦ), ГОСТ 1581-96.

Приготавливают вязко-пластичный состав (состав №12, табл.1) следующим образом. В фарфоровый химический стакан вместимостью 200 мл заливают 65 г полиуретановой дисперсии Аквапол 10, вносят 35 г алюмосиликатных микросфер и смесь перемешивают электромеханической лопастной мешалкой в течение 10 минут. Далее проводят испытание композиции по следующей методике.

Сосуд цилиндрической формы диаметром 9 см и высотой 6 см заполняют на 50% объема насыщенным раствором поваренной соли (рассолом) плотностью 1,2 г/см³. Приготовленную композицию наносят на поверхность рассола методом полива в объеме, необходимом для получения отвержденного слоя толщиной 4-5 мм. В течение 24 часов ведут визуальное наблюдение за изменением его состояния в процессе отверждения.

Прочностные свойства отвержденного слоя оценивают следующим образом. Отвержденный слой в виде пластины в форме круга снимают с поверхности раствора соли, размещают на плоской твердой поверхности и оказывают давление на него в центральной части цилиндрическим плунжером диаметром 55 мм под действием силы в 20 ньютонов. Качественная оценка «удовлетворительно» характеризует эксперименты, если выполняются следующие условия: снятая с поверхности раствора пластина отвердевшего слоя не распадалась на части, не имела дефектов в виде трещин, не имела грубых искажений формы, не проявляла липкости и при давлении плунжера в течение 60 минут не проявляла признаков разрушения и необратимой деформации. Несоблюдение хотя бы одного из этих условий приводит к оценке «неудовлетворительно».

В табл.1 представлены составы и свойства отверждающейся вязко-пластичной композиции.

Из приведенных в таблице 1 примеров видно, что оптимальными свойствами по совокупности измеренных параметров обладают составы №№4-6 и 11-13.

Эти композиции имеют плотность не более 0,80±0,02 г/см³, что на 0,4 г/см³ меньше плотности рассола. Это означает, что несущая способность разделительного слоя из этого материала в 20 раз выше, чем у разделительного слоя известного состава. Следовательно, слой согласно изобретению выдерживает удельную нагрузку в 20 раз более высокую, чем слой известного состава.

Приготавливают раствор минерального вяжущего (связующего) (состав №29 по таблице 2). В фарфоровый химический стакан вместимостью 200 мл загружают 32 г особо тонкодисперсного минерального вяжущего (ОТДВ) Микродур R-U и 17 г алюмосиликатных полых микросфер (АСМ). Затем в отдельном стакане 10 г поливинилацетатной дисперсии (ПВА) Д51В смешивают с 41 г воды и разбавленной дисперсией затворяют порошкообразную смесь ОТДВ и АСМ. Приготовленный раствор имеет консистенцию вязко-пластичной жидкости и достаточно хорошую растекаемость.

Прочностные свойства отвержденного материала, полученного из приготовленного раствора минерального вяжущего, оценивают следующим образом. На плоской поверхности из приготовленного раствора формируют слой толщиной 3-6 мм и оставляют в покое на 1-2 суток в комнатных условиях. Пластину отвердевшего материала дробят на куски размером приблизительно 3-5 мм и определяют их прочность на разрыв методом раскалывания известным способом с помощью измерительного устройства ПШ-2 (Методическое руководство по определению и использованию показателей свойств горных пород в бурении. РД 39-3-679-82. Миннефтепром, 1982).

В таблице 1 представлены результаты испытаний вязко-пластичных композиций разного состава, в которых соотношение Аквапола и микросфер по массе изменялось от 80:20 до 55:45. Отобраны седиментационно устойчивые (не расслаивающиеся) составы, легко растекающиеся по поверхности рассола.

В таблице 2 представлены составы и результаты испытаний отвержденных материалов, полученных из растворов минерального вяжущего разного состава. При этом отбирают системы, дающие достаточно прочные материалы без существенных усадочных деформаций.

Из приведенных в таблице 2 данных следует, что лучшими свойствами по совокупности показателей растекаемости и прочности (не менее 2 МПа) обладают составы №№17, 18, 22, 23, 25-30.

Далее, по описываемой технологии, согласно изобретению, на поверхность рассола наносят плавающий слой вязко-пластичного состава (табл.1) и затем, после его отверждения, на слой наносят раствор минерального вяжущего (табл.2). После отверждения последнего на поверхности рассола образуется разделительный слой, готовый к дальнейшему использованию при вторичном цементировании низа обсадной колонны при капитальном ремонте скважины подземного резервуара.

Таким образом, описываемый способ позволяет упростить технологию создания разделительного (буферного) слоя на поверхности рассола за счет сокращения числа, продолжительности и трудоемкости подготовительных операций к процессу непосредственного его формирования, а также существенно улучшить его функциональные характеристики. В первую очередь это относится к значительному повышению несущей способности изолирующего слоя (примерно в 20 раз) вследствие снижения его плотности при одновременном повышении физико-механических характеристик. Это дает возможность при создании разделительного слоя снизить трудовые, материальные и энергетические затраты, повысить его качественные показатели. Как следствие описываемый способ приводит к повышению надежности и экономичности процесса вторичного цементирования низа обсадной колонны при капитальном ремонте скважины подземного резервуара.

Таблица 2 Состав и свойства материалов, полученных из отвержденных растворов минерального вяжущего. Пример Состав, мас.% Растекаемость по слою базовой композиции Показатель** прочности, МПа 15 ПЦ (50%)+Вода (+) 0,86 16 ПЦ (43%)+АСМ (13%)+Вода (+) 0,47 17 ПЦ(38%)+АСМ (14,5%)+ПВА (12,5%)+Вода (+) 2,93 18 ПЦ(40,5%)+АСМ (15%)+ПВА (12%)+Вода (+) 3,87 19 ОТДВ (50%)+Вода (-) 2,27 20 ОТДВ (40%)+АСМ (12%)+Вода (+) 1,03 21 ОТДВ (43%)+АСМ (13%)+Вода (+) 1,64 22 ОТДВ (40%)+ПВА (30%)+Вода (+) 6,82 23 ОТДВ (40%)+АСМ (10%)+ПВА (20%)+Вода (+) 5,22 24 ОТДВ (48%)+АСМ (14,5%)+ПВА (14,5%)+Вода (-) - 25 ОТДВ (45%)+АСМ (13,5%)+ПВА (13,5%)+Вода (+) 6,12 26 ОТДВ (42%)+АСМ (12,5%)+ПВА (12,5%)+Вода (+) 4,95 27 ОТДВ (38%)+АСМ (14,5%)+ПВА (12,5%)+Вода (+) 3,52 28 ОТДВ (35%)+АСМ (15%)+ПВА (15%)+Вода (+) 2,09 29 ОТДВ (32%)+АСМ (17%)+ПВА (10%)+Вода (+) 4,47 30 ОТДВ (34%)+АСМ (16%)+ПВА (10%)+Вода (+) 2,28 * Обозначения: ПВА - поливинилацетатная дисперсия Д51В
** Прочность на разрыв по методу раскалывания (тестовая система «Гео-буртест») воздушно-сухих образцов материала, после выдержки в комнатных условиях в течение 1-2 суток.

Использование: нефтегазовая промышленность, в частности эксплуатация подземных резервуаров, создаваемых в толще отложений каменной соли для хранения природного газа. Сущность: заполняют резервуар рассолом до уровня ниже башмака обсадной колонны эксплуатационной скважины, наносят на поверхность рассола плавающий слой вязко-пластичного состава, представляющего собой жидкую композицию, отверждающуюся под действием рассола, предварительно получаемую смешением пленкообразующей полимерной дисперсии и дисперсного наполнителя низкой плотности. Затем наносят на него слой раствора минерального вяжущего, предварительно получаемого смешением минерального вяжущего, пленкообразующей полимерной дисперсии, дисперсного наполнителя низкой плотности и воды. Предпочтительно используют жидкую композицию, состава, мас.%: полиуретановая или акрилполиуретановая дисперсия - 60-75, алюмосиликатные полые микросферы - 25-40, а также цементный раствор, состава, мас.%: особо тонкодисперсное минеральное вяжущее - 35-45, алюмосиликатные или стеклянные полые микросферы - 10-15, пленкообразующая полимерная дисперсия - 12-20, вода - остальное, до 100. Технический результат: упрощение способа создания разделительного слоя за счет числа, продолжительности и трудоемкости подготовительных операций к процессу непосредственного его формирования на поверхности рассола, повышение его качественных характеристик. 2 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ создания разделительного слоя на поверхности насыщенного раствора каменной соли в подземном резервуаре, включающий заполнение резервуара рассолом до уровня ниже башмака обсадной колонны эксплуатационной скважины, нанесение на поверхность рассола плавающего слоя вязко-пластичного состава с последующим нанесением на него раствора минерального вяжущего, отличающийся тем, что в качестве вязко-пластичного состава используют отверждающуюся под действием рассола жидкую композицию, предварительно полученную смешением пленкообразующей полимерной дисперсии и дисперсного наполнителя низкой плотности, а в качестве раствора минерального вяжущего используют предварительно полученную смесь минерального вяжущего, пленкообразующей полимерной дисперсии, дисперсного наполнителя низкой плотности и воды.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют жидкую композицию, в которой в качестве пленкообразующей полимерной дисперсии применяют полиуретановую или акрилполиуретановую дисперсию, а в качестве дисперсного наполнителя низкой плотности - алюмосиликатные или стеклянные полые микросферы при следующем соотношении компонентов, мас.%:
полиуретановая или акрилполиуретановая дисперсия 60-75 алюмосиликатные или стеклянные полые микросферы 25-40

3. Способ по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что используют раствор минерального вяжущего, предварительно приготовленный смешением особо тонкодисперсного минерального вяжущего, алюмосиликатных полых микросфер, пленкообразующей полимерной дисперсии и воды при следующем соотношении компонентов, мас.%:
особо тонкодисперсное минеральное вяжущее 35-45 алюмосиликатные полые микросферы 10-15 пленкообразующая полимерная дисперсия 12-20 вода остальное до 100