ФИБРОАРМИРОВАННЫЙ ТАМПОНАЖНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ ПРОДУКТИВНЫХ ИНТЕРВАЛОВ, ПОДВЕРЖЕННЫХ ПЕРФОРАЦИИ В ПРОЦЕССЕ ОСВОЕНИЯ СКВАЖИН Российский патент 2012 года по МПК C09K8/467 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к строительству скважин, в том числе горизонтальных, в частности к тампонажным материалам, используемым для цементирования обсадных колонн в интервалах продуктивных пластов, подверженных перфорационному воздействию в процессе освоения, при ликвидации осложнений в скважинах, связанных с поглощением.

Известен тампонажный состав для крепления скважин на дисперсно-армированной базовой основе [1], содержащей компоненты в следующем соотношении, мас.ч.:

Силикатный и/или хлорсиликатный портландцемент 100 Волластонит и/или волокнистые кристаллы   синтетических гидросиликатов кальция или магния 3,0-8,0 Смесь волокнистых кристаллов природных   или синтетических минералов, или   металлических волокон, или стекловолокон,   или базальтовых волокон с полипропиленовыми,   или капроновыми, или нейлоновыми,   или поливинилспиртовыми волокнами,   взятых в соотношении 1:1-2:1 2,0-4,0 Жидкие кремнийорганические полимеры типа   олигоорганогидросилоксанов 0,05-0,25 Порошкообразные кремнийорганические   соединения типа алилсиликонатов 2,5-8,0 Палыгорскит 2,0-6,0. Вода для обеспечения водоцементного соотношения (В/Ц) 45-75.

Недостатками указанного известного состава является его высокое водоотделение, с последующим расслоением и низкая растекаемость, затрудняющая закачку тампонажного состава в пологие и горизонтальные скважины.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности является тампонажный состав для цементирования скважин [2], приготовленный из базовой основы, содержащей, мас.%:

Цемент 95,0-98,0 Армирующее волокно - полиамидное волокно   или смесь полиамидного волокна с хризотил-асбестом в   соотношении 0,3÷2,0:1 0,5-4,0 Пластификатор ЦЕМПЛАСТ, С-3 или Melflux 0,05-0,2 Оксиэтилцеллюлоза 0,1-0,5 Пеногаситель ПОЛИЦЕМ ДФ 01-02 Ускоритель сроков схватывания - хлорид кальция или   хлорид натрия остальное.

При этом для получения тампонажного состава базовую основу затворяют водой при водоцементном соотношении 0,4-0,6.

Недостатками указанного известного тампонажного состава являются недостаточные технологические характеристики: прочность при разрыве, прочность при сжатии, прочность при изгибе и прочность сцепления. Что в промысловых условиях приведет к образованию трещин в цементном камне, особенно подверженном перфорационному воздействию в процессе освоения.

Технический результат, достигаемый предлагаемым изобретением, заключается в придании тампонажному материалу физико-механических свойств, улучшающих его трещиностойкость, в том числе в условиях жестких динамических воздействий при цементировании продуктивных интервалов, подверженных перфорации в процессе освоения скважин, путем армирования состава на микро- и макроуровне.

Указанный технический результат обеспечивается предлагаемым фиброармированным тампонажным материалом для цементирования продуктивных интервалов, подверженных перфорации в процессе освоения скважин, включающим цемент, армирующее волокно, оксиэтилцеллюлозу, суперпластификатор ЦЕМПЛАСТ МФ, или С-3, или Melflux, пеногаситель ПОЛИЦЕМ ДФ, хлорид кальция, и воду, при этом новым является то, что материал дополнительно содержит полидиаллилдиметиламмоний хлорид ВПК-402, а в качестве армирующего волокна - полиакриловое, или полипропиленовое, или базальтовое волокно, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Цемент 66,0-69,0 Армирующее волокно - полиакриловое,   или полипропиленовое, или базальтовое 0,08-0,33 Оксиэтилцеллюлоза 0,07-0,2 Суперпластификатор ЦЕМПЛАСТ МФ,   или С-3, или Melflux 0,08-0,33 Пеногаситель ПОЛИЦЕМ ДФ 0,08-0,13 Хлорид кальция 0,08-1,3 Полидиаллилдиметиламмоний хлорид   ВПК-402 0,08 Вода остальное.

Достижение указанного технического результата обеспечивается за счет определенного подбора компонентов (качественного и количественного) в заявляемом тампонажном материале, т.е. этот результат носит синергетический характер.

Благодаря введению в тампонажный материал оксиэтилцеллюлозы обеспечивается низкая фильтрация, снимаются седиментационные процессы, что обеспечивает нулевое водоотделение полученных тампонажных растворов. А за счет синергетического эффекта во взаимодействии с другими компонентами указанный показатель фильтрации приближается к уровню фильтрации буровых растворов, что позволит в промысловых условиях при цементировании проницаемых интервалов исключить преждевременное загустевание тампонажного материала.

Использование в предлагаемом материале в качестве армирующего волокна полиакрилового, или полипропиленового, или базальтового волокна позволяет, наряду с повышением упругопластичных (прочность при разрыве) свойств тампонажного материала, увеличить прочностные свойства образующегося тампонажного камня (при сжатии, изгибе и сцеплении с породой). Волокна способствуют повышению трещиностойкости цементного камня, так как эффективно поглощают и релаксируют динамические напряжения. Указанные волокна в зоне поглощения образуют сетевую мостовую перемычку, способствующую быстрому формированию фильтрационной корки, препятствующей уходу цементного раствора в пласт. Волокна обеспечивают образование в цементном камне микроарматуры, которая определяет способность матрицы тампонажного камня воспринимать растягивающие и ударные нагрузки. Благодаря этому тампонажный состав становится универсальным и может использоваться в различных пластовых условиях:

- для цементирования продуктивных пластов эксплуатационных колонн, в том числе хвостовиков;

- для ликвидации поглощений в проницаемых отложениях;

- для цементирования технических и эксплуатационных колонн, в том числе хвостовиков, где разрез скважин сложен высокопроницаемыми пластами, что исключает возможность использования облегченных тампонажных составов и устройств для ступенчатого цементирования.

Последнее качество является особенно ценным, т.к. позволяет использовать один и тот же материал при различных циклах строительства скважин, что повышает эффективность строительства.

Введение в предлагаемый материал пеногасителя обеспечивает понижение пенообразования, что благоприятно сказывается на работе цементировочного оборудования, а также позволяет получить более качественный цементный камень.

Использование суперпластификатора в предлагаемом тампонажном материале позволяет модифицировать структуру тампонажного раствора, уплотняя ее, что способствует в свою очередь увеличению прочности тампонажного камня. Кроме того, введенная в состав пластифицирующая добавка позволяет регулировать реологические параметры цементного раствора в период закачки его в скважины. Оптимальное соотношение фиброармирующих добавок с пластифицирующей добавкой позволяет решить проблему, связанную с необходимостью нахождения рационального соотношения между механическими свойствами и реологией.

Введение в предлагаемый тампонажный состав полидиаллилдиметиламмоний хлорида ВПК-402 обеспечивает армирование тампонажного камня на макроуровне. Кроме того реагент оказывает дополнительное пластифицирующее воздействие на цементный раствор.

Для получения заявляемого тампонажного материала в лабораторных условиях были использованы следующие вещества:

- тампонажный портландцемент марки ПЦТ IG-CC-1;

- оксиэтилцеллюлоза марки ГИДРОЦЕМ Н, С ТУ 2231-009-40912231-2003;

- суперпластификатор марок: ЦЕМПЛАСТ МФ (сульфированный меламинформальдегид) по ТУ 2223-011-40912231-2003; С-3 (натриевая соль продукта конденсации нафталинсульфокислоты с формальдегидом по по ТУ 6-360204229-625-90)

и Meluux - полиэфиркарбоксилаты (поликарбоновые эфиры), водоредуцирующая добавка по степени пластификации в соответствии с ГОСТ 242111-91 относится к группе суперпластифицирующих, производитель: Degussa Constraction Polymers (SKW Trostberg, Германия); порошковый продукт, полученный методом распылительной сушки на основе модифицированного полиэфиркарбоксилата. Технические данные: форма - желтоватый порошок; насыпная плотность - 400-600 г/л; потери при нагревании - макс. 2,0 мас.%; 20% раствор при 20°С имеет pH=6,5-8,5. Особенности: - высокоэффективный диспергатор; - снижает усадку; - эффективен в широком диапазоне температур;

- армирующее волокно:

- полиакриловое волокно: Panacea, FPAC 236/040, выпускается ЗАО «ЕвроХим-1» (г.Москва), Фиброцем Б, ТУ 2458-058-40912231-2009;

- полипропиленовое волокно: ВСМ П-6 (СиАйрлайд г.Челябинск) ТУ 2272-006-13429727-2007;

- фибра базальтовая ТУ 5769-004-80104765-2008;

- пеногаситель ПОЛИЦЕМ ДФ - модифицированный кремнеорганический реагент по ТУ 2228-010-40912231-2003;

- хлорид кальция ГОСТ 450-77 с изменениями 1, 2, 3;

- полидиаллилдиметиламмоний хлорид ВПК-402 - высокомолекулярный катионный водорастворимый полимер линейно-циклической структуры, получаемый путем радикальной полимеризации мономера диметилдиаллиламмоний хлорида; по ТУ 2227-184-00203312-98 (с изм. 1, 2, 3, 4), характеризуется очень высоким катионным зарядом при относительно невысокой молекулярной массе - от 10 тыс. до 1 млн, устойчив к действию температур от -40°С до +60°С, неограниченно растворим в воде, вязкость не менее 2 мм²/с, водородный показатель pH 5-8, молекулярная масса полимера составляет 3*10⁵;

- вода техническая.

Возможность реализации заявляемого изобретения подтверждается следующим примером.

Пример. Для приготовления предлагаемого фиброармированного тампонажного материала в лабораторных условиях брали 1000 г цемента ПЦТ I-G-CC-1, добавляли полиакриловое волокно 2,3 г, оксиэтилцеллюлозы ГИДРОЦЕМ С - 2,3 г, суперпластификатор ЦЕМПЛАСТ 1,3 г, пеногаситель ПОЛИЦЕМ ДФ 2,3 г, хлорид кальция 10 г. Полученную тампонажную смесь тщательно перемешивали. Для приготовления жидкости затворения брали техническую воду в количестве 440 мл и растворяли в ней в количестве 1,3 г полидиаллилдиметиламмоний хлорид ВПК-402. Полученную тампонажную смесь затворяли приготовленной жидкостью затворения. В результате получили тампонажный состав со следующим соотношением компонентов, масс.%: цемент - 68,5; полиакриловое волокно - 0,15; оксиэтилцеллюлоза - 0,15; суперпластификатор ЦЕМПЛАСТ - 0,08; ПОЛИЦЕМ ДФ - 0,15; хлорид кальция - 0,69; ВПК-402 - 0,08; вода - 30,2. Тампонажные составы с другим содержанием компонентов готовили аналогичным образом.

В лабораторных условиях были исследованы следующие свойства заявляемого тампонажного состава:

- плотность;

- растекаемость;

- пластическая вязкость;

- динамическое напряжение сдвига;

- статическое напряжение сдвига;

- фильтратоотдача;

- водоотделение;

- сроки загустевания цементного раствора;

- сроки схватывания тампонажного материала;

а также исследовали следующие свойства цементного камня, полученного из указанного состава:

- предел прочности при разрыве,

- предел прочности при изгибе;

- предел прочности при сжатии;

- усилие выталкивания образца.

Данные об исследованных тампонажных материалах приведены в таблице 1; данные об их свойствах - в таблице 2.

Таблица 1 Данные о содержании компонентов в тампонажных материалах № п/п Компоненты тампонажного материала, мас.% Цемент Армирующее волокно Оксиэтил
целлюлоза Суперпластификатор Пеногаситель ПОЛИЦЕМ ДФ Хлорид кальция ВПК-402 Вода 1 65,0 0,08 0,07 0,08 0,08 1,3 0,33 32,93 2 68,0 0,10 0,1 0,33 0,10 0,4 0,10 30,87 3 68,0 0,20 0,07 0,10 0,13 0,7 0,25 30,15 4 66,0 0,33 0,2 0,25 0,10 1,0 0,08 31,54 5 66,0 0,25 0,15 0,20 0,13 0,1 0,20 32,97 6 67,0 0,30 0,2 0,10 0,10 1,0 0,10 30,2 7 69,0 0,10 0,18 0,3 0,10 0,08 0,08 30,16 Примечание: 1. В качестве армирующего волокна использовали в опытах 2, 3-полиакриловое волокно, в опытах 1, 6, 7 - полипропиленовое волокно, в остальных - базальтовое волокно. 2. В качестве суперпластификатора были использованы в опытах 2, 4, 7. - ЦЕМПЛАСТ, в опыте 5 - С-3, в остальных - Melflux.

Данные, приведенные в таблице 2, подтверждают, что заявляемый тампонажный материал отвечает требуемому качеству по технологическим свойствам как состава, так и цементного камня, полученного из него.

Предлагаемый материал имеет следующие преимущества перед известными:

- повышение плотности контакта (усилие выталкивания) на 85%;

- повышение предела прочности при сжатии на 50%;

- повышение прочности при изгибе на 27%;

- повышение прочности при разрыве на 11%.

Благодаря указанным свойствам, при использовании предлагаемого тампонажного материала в промысловых условиях будет обеспечиваться высокое качество строительства скважин за счет:

- повышенной трещиностойкости цементного камня;

- предотвращения распространения трещин, образующихся в цементном камне в период перфорации, в зону высоких давлений;

- формирования прочного цементного кольца при цементировании горизонтальных скважин с малыми кольцевыми зазорами;

- возможности закачки и доставки тампонажного материала в интервал установки за счет оптимальных реологических характеристик;

- изоляция и тампонирование проницаемых интервалов за счет формирования мостовой перемычки, способствующей быстрому формированию фильтрационной корки.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №1006713, опубл. 1983 г.

2. Патент РФ №2337124, опубл. 2008 г.

Изобретение относится к фиброармированному тампонажному материалу и может найти применение в нефтегазодобывающей промышленности при строительстве скважин, в том числе горизонтальных, для цементирования обсадных колонн в интервалах продуктивных пластов, подверженных перфорационному воздействию в процессе освоения, для ликвидации осложнений в скважинах, связанных с поглощением. Технический результат - повышение трещиностойкости, в том числе в условиях жестких динамических воздействий. Тампонажный материал содержит цемент, армирующее волокно - полиакриловое, или полипропиленовое, или базальтовое волокно, полидиаллилдиметиламмоний хлорид ВПК-402, оксиэтилцеллюлозу, суперпластификатор ЦЕМПЛАСТ, или С-3, или Melflux, пеногаситель ПОЛИЦЕМ ДФ, хлорид кальция и воду при следующем соотношении компонентов, мас.%: цемент 65,0-69,0, указанное армирующее волокно 0,08-0,33, оксиэтилцеллюлоза 0,07-0,2, указанный суперпластификатор 0,08-0,33, указанный пеногаситель 0,08-0,13 хлорид кальция 0,08-1,3, полидиаллилдиметиламмоний хлорид ВПК-402 0,08-0,33, вода остальное. 1 пр., 2 табл.

Фиброармированный тампонажный материал для цементирования продуктивных интервалов, подверженных перфорации в процессе освоения скважин, включающий цемент, армирующее волокно, оксиэтилцеллюлозу, суперпластификатор ЦЕМПЛАСТ МФ, или С-3, или Melflux, пеногаситель ПОЛИЦЕМ ДФ, хлорид кальция и воду, отличающийся тем, что материал дополнительно содержит полидиаллилдиметиламмоний хлорид ВПК-402, а в качестве армирующего волокна - полиакриловое, или полипропиленовое, или базальтовое волокно при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Цемент 66,0-69,0 Армирующее волокно - полиакриловое,   или полипропиленовое, или базальтовое 0,08-0,33 Оксиэтилцеллюлоза 0,07-0,2 Суперпластификатор ЦЕМПЛАСТ, или   С-3, или Melflux 0,08-0,33 Пеногаситель ПОЛИЦЕМ ДФ 0,08-0,13 Хлорид кальция 0,08-1,3 Полидиаллилдиметиламмоний хлорид   ВПК-402 0,08 Вода Остальное