ТАМПОНАЖНЫЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 2021 года по МПК E21B33/138 C09K8/46 C09K8/467 C09K8/50 

Изобретение относится к составам тампонажных материалов и может быть использовано при цементировании глубоких скважин на месторождениях, имеющих активные пластовые воды и тенденции к заколонным циркуляциям воды.

Нарушение герметичности цементного кольца из-за образования каналов в цементном камне и микрозазоров на контактных границах цементного камня чаще всего происходит из-за больших динамических нагрузок при перфорации, гидравлическом разрыве пласта, опрессовке, а также в результате коррозионного разрушения агрессивной коррозионной средой пластовых флюидов.

Для восстановления герметичности цементного кольца применяются различные технологии, включающие остановку скважины и закачку под давлением герметизирующего состава в образовавшиеся каналы [патент RU №2640854, E21B 33/138 C09K 8/50, «Способ ремонтно-изоляционных работ в скважине», опубл. 12.01.2018 г.; патент RU №2564323, МПК E21B 33/138, C09K 8/508, «Состав для изоляции и ограничения водопритока в скважины», опубл. 27.09.2015 г.].

Недостатком рассматриваемых технологий является продолжительная технологическая пауза, трудоемкость работ, многокомпонентность составов, краткосрочный водоизоляционный эффект.

Для крепления скважин в указанных условиях используют самовосстанавливающиеся тампонажные материалы, которые показывают наилучший результат по сравнению с технологиями ограничения водопритоков. При появлении трещин в цементном камне, некоторые компоненты проникнувшего углеводородного газа вступают в контакт со специальными добавками, интегрированными в цемент при его изготовлении или затворении. После взаимодействия добавки и углеводородного газа ранее поврежденный цементный камень восстанавливается до первоначального вида, сохраняя исходную прочность. При этом загерметизированное цементное кольцо не пропускает пластовые флюиды [FUTUR Self-Healing Cement System, Schlumberger product sheet 09.2008 г.].

Недостатком указанного тампонажного материала является его способность самовосстанавливаться только при контакте с пластовыми углеводородами.

Известны также расширяющиеся тампонажные материалы, включающие вяжущее и расширяющую добавку различного типа обеспечивающие герметичный контакт цементного камня с обсадной колонной и стенкой скважины [B.C. Данюшевский, «Справочное руководство по тампонажным материалам», Москва, «Недра», 1987 г., 373 стр. ; патент RU №2525885, C09K 8/467, «Тампонажный материал с регулируемой кинетикой расширения», опубл. 20.08.2014 г.; патент RU №2536725, C09K 8/467, «Расширяющийся тампонажный раствор с регулируемыми технологическими свойствами», опубл. 27.12.2014 г.].

Недостатком указанных тампонажных материалов является отсутствие у них эффекта самозалечивания, т.е. восстановления герметичности после трещинообразования.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по совокупности признаков, т.е. прототипом, является тампонажный материал, включающий вяжущее, эластомерный блок и стеклообразный или полукристаллический блок, имеющие слоистую структуру, при этом в качестве полукристаллического блока он содержит термопластичные блок-сополимеры, в качестве эластомерного блока - эластомерные набухающие полимерные материалы [патент RU №2539054, C09K 8/467 «Самовосстанавливающиеся цементы», Ле Руа-Деляж Сильвэн, Мартэн-Аль-Катиб Лор, опубл. 10.01.15. бюл. №1].

Недостатком данного цемента является, то, что он обладает свойствами самовосстановления только при контакте с пластовыми углеводородами, и не восстанавливает свою целостность при контакте с пластовыми водами.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков. Технический результат - ликвидация заколонных циркуляций и восстановление целостности цементного кольца без остановок скважины на ремонты.

Поставленная цель достигается тем, что тампонажный материал, включающий портландцемент, набухающий полимерный материал, согласно изобретению, содержит в качестве набухающего полимерного материала водонабухающие гранулы сшитого сополимера АА, покрытые водорастворимой оболочкой полимерного комплекса ПВС+КМЦ, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

портландцемент 99,0-99,5 указанные водонабухающие гранулы 0,5-1,0

Таким образом, в предлагаемом изобретении используются новые ингредиенты и новая технология, что дает основание утверждать о соответствии предлагаемого решения критерию "новизна".

На фиг.1 показан график фильтрации пластовой воды через образцы камня из различных тампонажных материалов при температуре 60°С и минимальной степенью минерализации. На фиг.2 показан график фильтрации пластовой воды через образцы различных тампонажных материалов при температуре 20°С и максимальной степенью минерализации.

Сущность изобретения заключается в следующем.

В сухой порошок тампонажного цемента вводят предварительно изготовленные водонабухающие гранулы сшитого сополимера АА, покрытые водорастворимой оболочкой полимерного комплекса ПВС+КМЦ. При получении водорастворимой оболочки порошкообразные реагенты полимеров, каждый в отдельности, растворяли в минерализованном растворителе. После чего производили смешение растворов двух полимеров при соотношении 1:1, получая полимерный комплекс с регулируемыми свойствами растворимости и механической прочности. Далее на гранулы сшитого сополимера АА, представляющего собой активное ядро модифицирующей добавки, производилось послойное нанесение раствора ранее полученного полимерного комплекса.

Сшитый сополимер АА - суперабсорбент на основе анионного поликриламида. Он представляет собой нерастворимые в воде сшитые сополимеры акриламида и акрилата калия. Полимеры содержат набор полимерных цепочек, параллельных друг другу, которые регулярно соединены сшивающими агентами, образуя сетку. Когда вода контактирует с одной из этих цепочек, она втягивается в молекулу полимера благодаря осмосу. Таким образом, вода сохраняется, быстро мигрируя внутрь полимерной сетки. Сшитый сополимер АА абсорбирует количество воды до 500 раз больше своей массы, переходя в гель.

Водорастворимая оболочка представляет собой полимерный комплекс на основе карбоксиметилцеллюлозы, модифицированной поливиниловым спиртом, и позволяет регулировать скорость ее растворения как следствие исключения преждевременной активации и набухания добавки во время затворения и закачивания цементного раствора в скважину и механическую прочность. Оболочный слой из полимерного комплекса в разработке выполняет превентивную функцию и предназначен для исключения преждевременного контакта полимерного ядра с водой.

В научно-технической и патентной литературе ранее не приводились применение водонабухающих гранул сшитого сополимера АА, покрытых водорастворимой оболочкой полимерного комплекса ПВС+КМЦ.

Таким образом, сказанное выше указывает на соответствие заявляемого изобретения критерию «изобретательский уровень».

Пример реализации изобретения.

В качестве примера рассмотрим приготовление тампонажного материала с соотношением: тампонажный портландцемент - 99,0; водонабухающие гранулы 1,0.

Для приготовления тампонажного материала взято 990 г тампонажного портландцемента ПЦТ 1-50 ГОСТ 1581-96 и 10 г водонабухающих гранул, покрытых водорастворимой оболочкой вышеописанного полимерного комплекса. Из полученного тампонажного материала готовили тампонажный раствор с водоцементным отношением 0,5. Образцы цементного теста использовали для определения свойств, а также для проведения исследований по самовосстановлению цементного камня. Испытания полученного тампонажного материала проводили согласно ГОСТ 1581-96. Результаты испытаний данной пробы, а также других составов, приведены в таблице.

Увеличение количества водонабухающих гранул более 1,0% сильнее снижает проницаемость камня, но негативно сказывается на его прочности. При уменьшении количества водонабухающих гранул менее 0,5% залечивания пор не происходит.

Для проверки самозалечивания цементного камня цементное тесто заливали в вертикальные цилиндрические формы и в них создавали искусственные каналы диаметром от 0,2 до 0,5 мм. После твердения в течение 2 суток через образцы камня фильтровали воду, имеющую химический состав аналогичный пластовой воде, и рассчитывали проницаемость образцов. Проведен сравнительный анализ водопропускной способности трех образцов цементного камня. Через первый образец (модифицированный «самозалечивающими» добавками) фильтровали воду гидрокарбонатного типа; через второй образец (модифицированный «самозалечивающими» добавками) фильтровали воду хлоркальциевого типа; через третий образец (цементный камень из бездобавочного цемента) фильтровали пресную воду. При фильтрации пластовой воды минимальной степени минерализации и повышенной температуры (60°С) через образец из «самозалечивающегося» тампонажного материала происходило максимально быстрое растворение оболочки и максимальная активация водонабухающего ядра. Время, за которое установился режим фильтрации жидкости, равнялось 6 часам. Спустя еще 9 часов, в динамике уменьшения расхода фильтрующейся воды, произошло полное прекращение фильтрации (см. фиг. 1).

При фильтрации пластовой воды максимальной степени минерализации и низкой температуры (20°С) через образец из «самозалечивающегося» тампонажного материала происходит растворение оболочки с меньшей скоростью и медленная активация водонабухающего ядра. Время, за которое установился режим фильтрации жидкости, равнялось 10 часам. Спустя еще 12 часов, в динамике уменьшения расхода фильтрующейся воды, произошло полное прекращение фильтрации (см. фиг. 2). Третий образец был изготовлен из бездобавочного тампонажного материала, и при установившемся режиме скорость фильтрации не изменялась.

Следует отметить, что в камне, модифицированном добавками, за 8 часов (12 часов) установившейся фильтрации было связано 75% воды, при этом 25% воды камень пропускал последующие 7 часов (10 часов) до полной остановки фильтрации воды. Общее время с момента начала гидратации камня до полной остановки фильтрации воды составило 15 часов (22 часа). В камне из бездобавочного цемента зарастание трещин не произошло даже по истечении нескольких суток, при этом по истечении указанного времени в свободной циркуляции оказалось 92,5% воды, и только 7,5% воды было связано непрогидратировавшими зернами тампонажного материала, находящимися в составе цементного клинкера.

Таким образом, приведенный пример реализации изобретения показывает его соответствие критерию «практическая применимость».

На буровой из данного тампонажного материала по общепринятой технологии готовят тампонажный раствор.

Из таблицы видно, что разработанные по предлагаемому способу тампонажные материалы удовлетворяют ГОСТ 1581-96. Эффект «замозалечивания» тампонажного материала обеспечит высокую герметичность контактов: цементный камень - обсадная колонна и цементный камень - горная порода.

Изобретение относится к составу тампонажных цементов и может быть использовано при цементировании глубоких скважин на месторождениях, имеющих активные пластовые воды и тенденции к заколонным циркуляциям воды. Тампонажный материал включает 99,0-99,5 мас. % портландцемента и набухающий полимерный материал. При этом в качестве набухающего полимерного материала содержит 0,5-1,0 мас. % водонабухающих гранул в виде нерастворимых в воде сшитых сополимеров акриламида и акрилата калия, покрытых водорастворимой оболочкой из карбоксиметилцеллюлозы, модифицированной поливиниловым спиртом. Техническим результатом является повышение эффективности ликвидации заколонных циркуляций и восстановление целостности цементного кольца без остановок скважины на ремонты. 2 ил., 1 табл.

Тампонажный материал, включающий портландцемент, набухающий полимерный материал, отличающийся тем, что в качестве набухающего полимерного материала содержит водонабухающие гранулы в виде нерастворимых в воде сшитых сополимеров акриламида и акрилата калия, покрытых водорастворимой оболочкой из карбоксиметилцеллюлозы, модифицированной поливиниловым спиртом, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

портландцемент 99,0-99,5 указанные водонабухающие гранулы 0,5-1,0