ИНФОРМАТИВНАЯ ТАМПОНАЖНАЯ СМЕСЬ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2013 года по МПК C09K8/467 

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, в частности к информативным тампонажным смесям с информативными свойствами о качестве цементирования, определении интервалов заполнения и приемистости при закачке тампонажного раствора и распределении его объемов по вертикали за колонной при цементировании обсадных колонн, эксплуатации, изоляции пластовых вод, капитальном ремонте и ликвидации скважин.

Известна тампонажная смесь, содержащая вяжущее, жидкость затворения и индикаторную добавку (см. М.С.Макаров «Применение индикаторного метода по радону при цементировании скважин». ВНИИОЭНГ, НТС, сер. Нефтегазовая геология, геофизика и бурение», вып.5, 1985).

В качестве вяжущего известная тампонажная смесь содержит цемент, в качестве жидкости затворения - воду, а в качестве индикаторной добавки - радиоактивный газовый изотоп-радон в виде водного раствора радона с активностью 1500 мкр.

Известная тампонажная смесь не обеспечивает достаточную достоверность получаемой информации во времени о местоположении и распределении тампонажного раствора по пропласткам горной породы в заколонном пространстве из-за миграции (всплытия) газообразных радиоактивных индикаторов вверх. Использование в известной тампонажной смеси в качестве индикаторной добавки радиоактивного радионуклида газа криптона-85 сужает область ее применения из-за повышенной затратности технологии и опасности для здоровья человека.

Известен тампонажный раствор, содержащий индикаторную добавку (см. «Практическое руководство по применению индикаторного метода для долголетней оценки герметичности затрубного пространства», РД-05-10-03, Волгоград, 2003 г., ООО «Лукойл-Нижневолжскнефть», ООО «Лукойл-Волгоград НИПИморнефть»). В качестве индикаторной добавки в известной тампонажной смеси используют радиоактивный радионуклид газа криптона-85, имеющего период полураспада 10,3 года.

Известная тампонажная смесь не обеспечивает достаточную достоверность получаемой информации во времени о местоположении и распределении тампонажного раствора по пропласткам горной породы в заколонном пространстве из-за миграции (всплытия) газообразных радиоактивных индикаторов вверх. Использование в известной тампонажной смеси в качестве индикаторной добавки радиоактивного радионуклида газа криптона-85 сужает область ее применения из-за повышенной затратности технологии и опасности для здоровья человека.

Наиболее близким к заявляемой тампонажной смеси, принятым в качестве прототипа, является тампонажный раствор, содержащий вяжущее, жидкость затворения, индикаторную добавку (см. описание к авторскому свидетельству СССР №1065581, МПК Е21В 33/138, опубл. 07.01.84, бюл. №1).

В качестве вяжущего известная тампонажная смесь содержит цемент, в качестве жидкости затворения - воду, а в качестве индикаторной добавки - октоборат натрия Na₂B₈O₁₃ и дополнительно содержит щелочной ускоритель - кальцинированную соду и каустическую соду.

Недостатками известного тампонажного раствора являются:

- узкая область применения, обусловленная трудностями организации процесса приготовления смеси в промысловых условиях из-за того, что октоборат натрия, гидролизуясь в жидкости затворения, обладает сильным замедляющим твердение цементного раствора действием;

- низкая эффективность тампонажных работ из-за плохой фильтруемости смеси на цементной основе, особенно в низкопроницаемые коллекторы, микрозазоры и микротрещины, обусловленной размерами частиц цемента 30-50 мкм, которые не могут проникать в каналы, трещины и микротрещины с меньшими размерами.

Для замедления твердения цементного раствора вводят в жидкость затворения щелочной реагент-ускоритель - кальцинированную соду. Но слишком узкие пределы добавки данного ускорителя, имеющего невысокую растворимость, ниже которой он не оказывает действия на ускорение схватывания и выше которых раствор становится непрокачиваемым, создают дополнительные трудности при затворении состава и снижают надежность и безопасность проведения цементировочных работ. Устранить эти трудности удается при добавке в тампонажный раствор дополнительного щелочного ускорителя, как каустическая сода. В целом же добавка двух щелочных ускорителей вызывает определенные практические трудности в процессе приготовления, регулирования прокачиваемости и закачки цементного раствора. Причем использование каустической соды требует использования специальных химических средств защиты. Кроме того, октоборат натрия является нераспространенным реагентом.

Технической задачей предлагаемого изобретения является снижение опасности для здоровья человека, расширение области применения и повышение эффективности тампонажных работ за счет улучшения технологических возможностей тампонажной смеси (увеличение растекаемости смеси, времени прокачиваемости) и упрощения ее приготовления в промысловых условиях, а также применение тампонажной смеси позволяет определить ее распределение в заколонном пространстве и в горной породе.

Технический результат направлен на создание информативной тампонажной смеси с одним ускорителем и одним широко распространенным борсодержащим реагентом, которую возможно эффективно использовать в широких диапазонах температур, давлений, в том числе в коллекторах с межзерновым пространством менее 30 мкм, а также при наличии трещин и микротрещин с меньшими размерами, кроме того, в течение неограниченного времени проводить индикацию распределения цемента за обсадной колонной с помощью нейтронного импульсного каротажа.

Техническая задача по первому варианту решается тем, что информативная тампонажная смесь содержит вяжущее, жидкость затворения, индикаторную добавку, при этом она дополнительно содержит регулятор технологических свойств - суперпластификатор С-3 и ускоритель - сернокислый глинозем, а в качестве вяжущего - тонкомолотый цемент Микродур или ИНТРАЦЕМ, а в качестве индикаторной добавки - борную кислоту, при следующих соотношениях ингредиентов к весу вяжущего, вес.ч.:

тонкомолотый цемент   Микродур или ИНТРАЦЕМ 100 борная кислота 2-3 сернокислый глинозем 3-7 суперпластификатор С-3 0,3-1 жидкость затворения 50-150

Техническая задача по второму варианту решается тем, что информативная тампонажная смесь содержит вяжущее, жидкость затворения, индикаторную добавку, при этом она дополнительно содержит регулятор технологических свойств - суперпластификатор С-3, ускоритель - карбонат калия, а в качестве вяжущего - тонкомолотый цемент Микродур или ИНТРАЦЕМ, в качестве индикаторной добавки - тетраборат натрия, при следующих соотношениях ингредиентов к весу вяжущего, вес.ч.:

тонкомолотый цемент   Микродур или ИНТРАЦЕМ 100 тетраборат натрия 5-10 карбонат калия 5-10 суперпластификатор С-3 0,3-1 жидкость затворения 50-150

В качестве жидкости затворения содержит воду или рассол хлористого натрия, или хлористого кальция, или бромистого кальция, или бромид цинка.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что по первому варианту информативная тампонажная смесь в качестве индикатора содержит борную кислоту и дополнительно сернокислый глинозем и суперпластификатор С-3, по второму варианту - тетраборат натрия и дополнительно карбонат калия и суперпластификатор С-3, а в качестве структурообразователя (цемента) используют тонкодисперсное вяжущее Микродур или ИНТРАЦЕМ. В предлагаемой информативной тампонажной смеси введение борсодержащих веществ позволяет в течение неограниченного времени с помощью нейтронного импульсного каротажа проводить индикацию распределения цемента за обсадной колонной.

В естественных породах содержание бора незначительно и составляет тысячные доли процента, тогда как борная кислота в своем составе содержит 17,5% бора, а тетраборат натрия (бура Na₂B₄O₇·10Н₂О) содержит 11,5% бора, что к общей массе тампонажного раствора составляет около 0,3-1%. Такая значительная разница в содержании бора позволяет борной кислоте или тетраборату натрия являться индикатором местонахождения включающего его раствора.

Из-за отсутствия собственного гамма-излучения, как у известных радиоактивных изотопов-индикаторов, борная кислота и тетраборат натрия не требуют особых мер предосторожности.

Из известных тонкомолотых вяжущих наиболее эффективными являются Микродур или ИНТРАЦЕМ, получаемые на основе портландцемента.

В предлагаемой информативной тампонажной смеси в качестве высоководопотребного тонкодисперсного вяжущего используют особотонкомолотые цементы, например «Микродур» или «ИНТРАЦЕМ». Вяжущее «Микродур» производится посредством воздушной сепарации пыли, образующейся при помоле цементного клинкера, технология его изготовления разработана и освоена специалистами фирмы «INTRA - BAVGmbH» совместно со специалистами концерна «Dyckerhoff» и защищена Европейским патентом. Диаметр зерен «Микродур» в 6-10 раз и более меньше частиц самого цементного клинкера. Благодаря малому размеру частиц (диаметр зерен ≤2-6 мкм), высокой удельной поверхности (2000-2500 м²/кг) и плавно подобранному гранулометрическому составу растворы «Микродур» обладают текучестью, сравнимой с текучестью воды, даже при минимальном количестве жидкости затворения, что позволяет суспензии «Микродура» глубоко проникать в низкопроницаемую горную породу. Время истечения (условная вязкость) суспензии в возрасте до 3 часов колеблется от 28 до 30 с.

Технология изготовления особотонкомолотого цемента «ИНТРАЦЕМ», близкого по своим технологическим параметрам к «Микродуру», разработана РХТУ им. Д.И.Менделеева. Благодаря малому размеру частиц (менее 4,5 мкм), высокой удельной поверхности (1000 м²/кг) и нормированному гранулометрическому составу и введению специальных добавок «ИНТРАЦЕМ» образует стабильные водные дисперсии с высокой проникающей способностью, что позволяет растворам «ИНТРАЦЕМ» проникать в поры и трещины размером менее 0,1 мм, уменьшая открытую пористость материалов в 2-15 раз и увеличивая их механическую прочность.

В отличие от прототипа использование тонкодисперсного вяжущего Микродур или ИНТРАЦЕМ позволяет полнее связать воду и уплотнить структуру камня и тем самым обеспечить его повышенную флюидоупорность и долговечность. Это обусловлено и тем, что тонкодисперсные вяжущие способны связывать воду во много раз больше, так как водотвердое отношение их может достигать 3,0-5,0 при удельной поверхности 20000-25000 см³/г против 0,3-0,5 обычных тампонажных цементов, имеющих удельную поверхность 3000-3500 см³/г.

В качестве жидкости затворения предлагаемой информативной тампонажной смеси используют воду или рассол хлористого натрия, или хлористого кальция, или бромистого кальция, или их смесь в количестве 50-150 вес.ч. плотностью от 1,0 до 1,7 г/см³. При содержании жидкости затворения менее 50 вес.ч. тампонажный раствор становится непрокачиваемым, при более 150 вес.ч. у раствора наблюдается некоторый седиментационный отстой. В интервалах соленосных отложений и рапоносных горизонтов используется засолоненный тампонажный раствор, приготовленный на химически совместимых с горной породой рассолах, с возможностью исключения обменных процессов, ведущих к разрушению камня тампонажной основы. При наличии в разрезе горных пород пресных или слабоминерализованных вод используют жидкости затворения плотностью 1,0-1,06 г/см³, минерализованных и сильноминерализованных 1,06-1,20 г/см³, а при наличии пластов с аномально высоким пластовым давлением до 1,7 г/см³. Это позволяет избежать проникновения пластовых флюидов в структуру камня на стадии его твердения и образования каналов фильтрации и тем самым предотвратить межколонное давление и межпластовые перетоки, при этом камень обладает низкой газопроницаемостью, отсутствием трещин и каналов и достаточной плотностью, обеспечивающей необходимое противодавление на пласты и стенки ствола скважины.

Вариант 1

Информативная тампонажная смесь в качестве информативного материала содержит борную кислоту (Н₃ВО₃) в количестве 2-3 вес.ч. Добавка борной кислоты в смесь менее 2 вес.ч. слабо реагирует на время замедления нейтронов, а увеличение добавки более 3 вес.ч. не дает существенного прироста показаний замедления нейтронов.

Информативная тампонажная смесь в качестве ускорителя схватывания содержит сернокислый глинозем (сульфат алюминия Al₂(SO₄)₃·18Н₂О) в количестве 3-7 вес.ч. Добавка сернокислого глинозема в смесь менее 3 вес.ч. увеличивает время прокачиваемости тампонажного раствора до 1 суток, а увеличение добавки более 7 вес.ч. сокращает время прокачиваемости до величин, недостаточных для проведения технологических операций с тампонажным раствором.

Информативная тампонажная смесь в качестве регулятора технологических свойств содержит суперпластификатор С-3 в количестве 0,3-1. Добавка суперпластификатора С-3 в смесь менее 0,3 вес.ч. не позволяет снижать вязкость тампонажного раствора до заданных параметров, а увеличение добавки более 1 вес.ч. ведет к разжижению тампонажного раствора и некоторому расслоению.

Вариант 2

Информативная тампонажная смесь в качестве информативного материала содержит тетраборат натрия (бура Na₂B₄O₇·10Н₂О) в количестве 5-10 вес.ч. Добавка тетрабората натрия в смесь менее 5 вес.ч. недостаточна для выявления времени замедления нейтронов, а увеличение добавки более 10 вес.ч. не увеличивает информативность раствора.

Информативная тампонажная смесь в качестве ускорителя схватывания содержит карбонат калия (поташ K₂CO₃) в количестве 5-10 вес.ч. Добавка карбоната калия в смесь менее 5 вес.ч. ведет к нерациональному увеличению сроков прокачиваемости и схватывания, а увеличение добавки более 10 вес.ч. снижает прокачиваемость ниже времени, необходимого для технологических операций.

Информативная тампонажная смесь в качестве регулятора технологических свойств содержит суперпластификатор С-3 в количестве 0,3-1. Добавка суперпластификатора С-3 в смесь менее 0,3 вес.ч. не позволяет снижать вязкость тампонажного раствора до заданных параметров, а увеличение добавки более 1 вес.ч. ведет к разжижению тампонажного раствора и некоторому расслоению.

Приготовление информативной тампонажной смеси может осуществляться двумя способами:

- централизованно в цехе сухих тампонажных композиций с использованием известных смесительных камер;

- непосредственно на скважине.

По первому способу приготовленную гомогенную смесь подают в цементовозы или в бункеры цементно-смесительных машин или расфасовывают в герметичные упаковки весом 25-40 кг. Затем смесь любым видом транспорта доставляют на скважину, где из нее приготавливают тампонажный раствор.

По второму способу информативный тампонажный раствор готовят на скважине обычным способом с применением глиномешалки или агрегато-смесительных машин АСМ-25, УСО-16, в которые последовательно вводят компоненты: воду, борсодержащее вещество, реагент-ускоритель, реагент-пластификатор и вяжущее вещество.

Определение основных свойств раствора и камня проводят в соответствии с ГОСТ 1581-96 «Цементы тампонажные» и ГОСТ 26798.1-96 «Методы испытаний».

Определение плотности, растекаемости, водоотделения проводят при 22°С и атмосферном давлении. Для условий умеренных температур испытания проводят при 75-90°С и атмосферном давлении. Для условий аномально-высоких пластовых давлений при режимах температур до 120°С и давлении 60 МПа. Растекаемость определяют по конусу АЗНИИ, плотность пикнометром, водоотделение в мерном цилиндре, время загустевания на консистометрах ZM-1002 и КЦ-3, предел прочности на сжатие на испытательном стенде 4207D - CHANDLER. Нейтронное замедление измерялось с помощью прибора СГДТ.

Данные о проведенных испытаниях сведены в таблице «Составы и свойства тампонажных смесей».

Пример

Для приготовления информативной тампонажной смеси по варианту 1 (см. состав 9) в воду объемом 1200 см³ при постоянном перемешивании последовательно добавляют 30 г борной кислоты, 70 г сернокислого глинозема, 6 г суперпластификатора С-3, 1000 г Микродура.

Состав перемешивают 3 мин, после чего определяют растекаемость, плотность, прокачиваемость. Затем заливают формы для испытания образцов на прочность через 2 суток твердения.

Для состава по варианту 1 (см. состав 9) плотность раствора 1,46 г/см³, растекаемость 23 см, прочность на изгиб 2,0 МПа.

Для измерения нейтронного замедления приготовленный состав 9 заливают в стенд с кольцевым пространством ⌀ 225×127 мм и длиной 1500 м. Внутрь стенда в трубе с внутренним диаметром 108 мм залитой водой помещают импульсный прибор нейтронного гамма каротажа.

Замеры нейтронного замедления показали уменьшение импульсов в минуту в 4-5 раз по сравнению с образцом, приготовленным из чистого портландцемента (см. состав 1).

Пример

Для приготовления информативной тампонажной смеси по варианту 2 (см. состав 13) в воду объемом 1200 см³ при постоянном перемешивании последовательно добавляют 100 г тетрабората натрия, 100 г карбоната калия, 10 г суперпластификатора С-3, 1000 г ИНТРАЦЕМ.

Состав перемешивают 3 мин, после чего определяют растекаемость, плотность, прокачиваемость. Заливают формы для испытания образцов на прочность через 2 суток твердения.

Для состава по варианту 2 (см. состав 13) плотность раствора 1,46 г/см³, растекаемость 25 см, прочность на изгиб 1,8 МПа.

Для измерения нейтронного замедления приготовленный состав 13 заливают в стенд с кольцевым пространством ⌀ 225×127 мм и длиной 1500 м. Внутрь стенда в трубе с внутренним диаметром 108 мм залитой водой помещают импульсный прибор нейтронного гамма каротажа.

Замеры нейтронного замедления показали уменьшение импульсов в минуту в 4-5 раз по сравнению с образцом, приготовленным из чистого портландцемента (см. состав 1).

Использование предлагаемой информативной тампонажной смеси позволяет:

- расширить область применения;

- повысить эффективность тампонажных работ за счет улучшения технологических возможностей тампонажной смеси, упрощения ее приготовления в промысловых условиях и повышенной фильтрующей способности в низкопроницаемые коллекторы, микрозазоры и микротрещины;

- обеспечить возможность индикаторного мониторинга в течение неограниченного времени;

- исключить вредное влияние на окружающую среду и людей.

Экономический эффект от использования заявляемой информативной тампонажной смеси будет определяться за счет повышения эффективности тампонажных работ и возможности индикаторного мониторинга в течение неограниченного времени без привлечения дополнительных средств на установку индикаторных меток.

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, в частности к тампонажным смесям с информативными свойствами о качестве цементирования, определении интервалов заполнения и приемистости при закачке тампонажного раствора и распределении его объемов по вертикали за колонной при цементировании обсадных колонн, эксплуатации, изоляции пластовых вод, капитальном ремонте и ликвидации скважин. Технический результат - создание информативной тампонажной смеси, которую возможно эффективно использовать в широких диапазонах температур, давлений, в том числе в коллекторах с межзерновым пространством менее 30 мкм, а также при наличии трещин и микротрещин с меньшими размерами, кроме того, в течение неограниченного времени проводить индикацию распределения цемента за обсадной колонной с помощью нейтронного импульсного каротажа, а также улучшение технологических возможностей тампонажной смеси за счет увеличения растекаемости смеси и времени ее прокачивания. Информативная тампонажная смесь по одному варианту содержит ингредиенты при следующем соотношении, мас.ч.: тонкомолотый цемент - Микродур или ИНТРАЦЕМ 100, борная кислота 2-3, сернокислый глинозем 3-7, суперпластификатор С-3 0,3-1, жидкость затворения 50-150. Информативная тампонажная смесь по другому варианту содержит ингредиенты при следующем соотношении, мас.ч: Микродур или ИНТРАЦЕМ 100, тетраборат натрия 5-10, карбонат калия 5-10, суперпластификатор С-3 0,3-1, жидкость затворения 50-150. Изобретение развито в зависимых пунктах формулы изобретения. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 пр., 1 табл.

1. Информативная тампонажная смесь, содержащая вяжущее, жидкость затворения, индикаторную добавку, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит регулятор технологических свойств - суперпластификатор С-3 и ускоритель - сернокислый глинозем, в качестве вяжущего - тонкомолотый цемент Микродур или ИНТРАЦЕМ и в качестве индикаторной добавки - борную кислоту при следующих соотношениях ингредиентов к весу вяжущего, вес.ч.:
тонкомолотый цемент   Микродур или ИНТРАЦЕМ 100 борная кислота 2-3 сернокислый глинозем 3-7 суперпластификатор С-3 0,3-1 жидкость затворения 50-150

2. Информативная тампонажная смесь по п.1, отличающаяся тем, что в качестве жидкости затворения содержит воду или рассол.

3. Информативная тампонажная смесь по п.2, отличающаяся тем, что в качестве рассола содержит водный раствор хлористого натрия, или хлористого кальция, или бромистого кальция, или бромида цинка.

4. Информативная тампонажная смесь, содержащая вяжущее, жидкость затворения, индикаторную добавку, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит регулятор технологических свойств - суперпластификатор С-3, ускоритель - карбонат калия, в качестве вяжущего - тонкомолотый цемент Микродур или ИНТРАЦЕМ и в качестве индикаторной добавки - тетраборат натрия при следующих соотношениях ингредиентов к весу вяжущего, вес.ч.:
тонкомолотый цемент   Микродур или ИНТРАЦЕМ 100 тетраборат натрия 5-10 карбонат калия 5-10 суперпластификатор С-3 0,3-1 жидкость затворения 50-150

5. Информативная тампонажная смесь по п.4, отличающаяся тем, что в качестве жидкости затворения содержит воду или рассол.

6. Информативная тампонажная смесь по п.5, отличающаяся тем, что в качестве рассола содержит водный раствор хлористого натрия, или хлористого кальция, или бромистого кальция, или бромида цинка.