СОСТАВ САМОВОССТАНАВЛИВАЮЩЕЙСЯ ЦЕМЕНТНОЙ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКСНОЙ ДОБАВКИ Российский патент 2024 года по МПК C09K8/467 C04B24/26 

Область техники.

Изобретение относится к строительству нефтяных и газовых скважин, а именно к строительству скважин со сложными геологическими условиями, подверженным стрессовым механическим нагрузкам на цементное кольцо в процессе бурения и эксплуатации скважин, в том числе при проведении мультистадийного гидроразрыва пласта, с риском получения перетоков вследствие образования трещин-каналов.

Уровень техники.

В процессе цементирования обсадной колонны при строительстве скважин существует риск разрушения цементного кольца и возникающих вследствие этого осложнений, таких как, вывод скважины из строя, ее консервация или дорогостоящий ремонт. Цементный камень в нефтяных и газовых скважинах, являясь наиболее уязвимым элементом крепи, легко разрушается при проведении технологических операций внутри скважины, и практически единственным способом восстановления его герметичности является применение новых тампонажных материалов, способных восстанавливать свою целостность в случае образования микрозазоров и трещин без проведения дополнительных операций и сохранять физический и гидравлический барьер в зоне разрушения в течение всего периода эксплуатации скважины. Такие материалы называют «самовосстанавливающимися».

Известна тампонажная смесь с применением магнитной гранулированной полимерной композиции с возможностью самовосстановления цементного камня для крепления обсадных колонн и ремонтно-изоляционных работ (источник [1]: патент RU 2751148). Тампонажная гранулированная смесь включает портландцемент ПЦТ-I-G, магнитоактивную добавку, сшивающий агент и изоляционный агент. Магнитоактивная добавка состоит из полимерной матрицы, в качестве которой используют натуральный или синтетический каучук, выбранный из бутилкаучука или силиконового каучука и магнитного наполнителя. Изобретение направлено на повышение эффективности самовосстановления цементного камня, уменьшение трещин, увеличение эластичности, увеличение адгезии с обсадной колонной.

За прототип приняты самовосстанавливающиеся цементы (источник [2]: патент RU 2539054). Цементный раствор содержит термопластичные блок-сополимерные частицы, блок-сополимер имеет структуру (A-b-B-b-A), где A представляет собой стеклообразный или полукристаллический блок, а B является эластомерным блоком. Появление микрозазоров, трещин или дефектов в цементном кольце позволяет углеводородам из продуктивного пласта вступать в контакт с частицами, позволяя частицам набухать, и позволяет цементному кольцу обладать свойствами самовосстановления. Изобретение также относится к применению указанных термопластичных блок-сополимерных частиц, для придания свойств самоизлечивания рецептуре цемента, который укладывается в подземной скважине, пересекающей один или большее число пластов, содержащих углеводороды, где после затвердевания цемент образует цементное кольцо, в котором частицы набухают при контакте с углеводородами из продуктивного пласта.

Недостатком известных составов является то, что при их использовании в условиях различных температур не всегда происходит восстановление цементного камня, не происходит смыкание трещин, в случае применения, что не препятствует возникновению перетоков флюидов между различными подземными слоями в процессе эксплуатации скважин, таким образом, в скважину попадают нежелательные флюиды.

Сущность изобретения.

Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение заключается в создании самовосстанавливающейся цементной системы на основе комплексной добавки, обладающей свойствами самовосстановления.

Технический результат заключается в предотвращении образования трещин-каналов с риском получения перетоков вследствие образования трещин-каналов в процессе бурения и эксплуатации скважин в условиях различных температур.

Технический результат достигается тем, что состав самовосстанавливающейся цементной системы, содержащий воду, тампонажный цемент, содержит комплексную добавку, включающую сополимеры стирол-изопрен-стирол и стирол-бутадиен-стирол мелкодисперсный с содержанием частиц менее 100 мкм и стирол-бутадиен-стирол линейного и/или стирол-бутадиен-стирол разветвленного типов, а также остальное до 100 мас.%, включающее такие компоненты, как: замедлитель схватывания, или расширяющая добавка, или понизитель водоотдачи или двуокись кремния или облегчающая добавка, или пеногаситель или микроцемент или диспергатор, взятые по отдельности или в смеси; где воды 37 мас.% тампонажного цемента, 43 мас.% комплексной добавки 16 мас.%.

Составы на основе самовосстанавливающихся цементов изготавливают на основе высококачественных сульфатостойких тампонажных цементов в комплексе со специальной добавкой самовосстанавливающихся цементов, регулирующей механические свойства камня и гидродинамические свойства цементного раствора. Дополнительно могут применяться пластификаторы, замедлители, понизители фильтрации, ускорители для достижения необходимых параметров.

Содержание в составе самовосстанавливающейся цементной системы раствора реакционных полимеров и сополимеров достигает от 10% до 60% по объему состава в зависимости от плотности получаемого раствора. В дополнение к блок-сополимерным частицам состав также может содержать присадки, ускорители, наполнители, присадки для регулирования водоотдачи, пластификаторы, замедлители, присадки от миграции газа и антипенные агенты, полипропилен, полиэтилен, бутадиен- акрилонитрил, бутадиен-стирол и полиамид. Такие присадки также могут включать волокна, выбранные из перечня, включающего полиамид, полиэтилен и поливиниловый спирт.

Осуществление изобретения.

В качестве основы состав для самовосстанавливающейся цементной системы на основе комплексной добавки содержит пресную воду и портландцемент класса G или ПЦТ -1- 50. Преимущества использования этого типа цемента: хорошая совместимость с различными добавками; высокие прочностные свойства; низкая проницаемость тампонажного камня; сульфатостойкость.

Введение в самовосстанавливающуюся цементную систему комплексной добавки термопластичных блок-сополимерных частиц обеспечивает придание свойств самовосстановления в рецептуре смеси цемента с комплексной добавкой.

Введение в самовосстанавливающуюся цементную систему замедлителей схватывания, пеногасителей, микроцемента, утяжеляющих добавок, понизителей водоотдачи, диспергаторов, двуокиси кремния, облегчающих добавок в совокупности с другими компонентами при заявляемом их количественном соотношении позволит изменить структуру цементного камня, улучшить его прочностные характеристики, снизить проницаемость, исключить возникновение перетоков и прорыв пластовых флюидов.

Для получения заявляемого состава самовосстанавливающейся цементной системы на основе комплексной добавки были использованы следующие вещества.

Пример 1.

Состав № 1 самовосстанавливающейся цементной системы на основе комплексной добавки.

Для приготовления заявляемого состава самовосстанавливающейся цементной системы на основе комплексной добавки брали портландцемент класса G в количестве 928,5 кг/м³, пресную воду в количестве 493,34 кг/м³, стирол-изопрен-стирол ДСТ Р 30-00 в количестве 46,43 кг/м³, двуокись кремния со средней удельной поверхностью около 20 кв. м/г в количестве 37,14 кг/м³, замедлитель схватывания и твердения цемента на основе карбоновой кислоты в количестве 0,93 кг/м³, пеногаситель дипроксамин в количестве 1,86 кг/м³, диспергатор на основе модифицированного полиэфиркарбоксилата в количестве 5,57 кг/м³, микроцемент с максимальной фракцией заполнения < 40 мкм в количестве 55,71 кг/м³, баритовый концентрат в качестве утяжеляющей добавки в количестве 464,25 кг/м³, понизитель водоотдачи на основе сополимера AMPS в количестве 11,14 кг/м³.

Условия испытаний для состава №1 были следующими: статическая температура на забое скважины: 101°C (213,8°F); динамическая температура на забое скважины 75°C (167°F); давление на забое: 67 МПа (9700 фунтов на кв.дюйм). Плотность раствора составляла 2050 кг/м³. Свойства состава приведены в таблице 1 и 2.

Таблица. 1.

Реологические свойства испытательного состава №1, конфигурация вискозиметра: R-1, B-2, F-1

Перемешивание Кондиционирование - 30 минут Пластическая вязкость: 63,75 мПа*с Пластическая вязкость: 47,25 мПа*с Динамическое напряжение сдвига 4,31 Па Динамическое напряжение сдвига 3,83 Па

Таблица 2.

Дополнительные свойства испытательного состава №1

Показатель Результат Не связанная вода 0 % Фильтрационные потери 12 мл Время схватывания раствора в динамике до 30 единиц консистенции Бердена 3:00 Время схватывания раствора в динамике до 70 единиц консистенции Бердена 4:11 Изменение предела прочности при сжатии не разрушающим методом, выдержка образцов при 101°С (213,8°F) и 20 МПа (3000 фунт/кв.дюйм) 0,34 МПа (50 фунт/кв.дюйм) - 07:27
3,4 МПа (500 фунт/кв.дюйм) - 08:16
после выдержки 12:00 – 8,9 МПа (1286 фунт/кв.дюйм)
после выдержки 24:00 – 11,8 МПа (1712 фунт/кв.дюйм) Предел прочности разрушающим методом через 24 часа, выдержка образцов при 101°С (213,8°F) и 20 МПа (3000 фунт/кв.дюйм) 21,5 МПа (1712 фунт/кв.дюйм)

Пример 2.

Состав № 2 самовосстанавливающейся цементной системы на основе комплексной добавки.

Для приготовления заявляемого состава самовосстанавливающейся цементной системы на основе комплексной добавки брали портландцемент класса G в количестве 1175 кг/м³, пресную воду в количестве 523,76 кг/м³, стирол-изопрен-стирол SIS 1100 в количестве 58,75 кг/м³, стирол-бутадиен-стирол мелкодисперсный с содержанием частиц менее 100 мкм AXILAT PSB 150 в количестве 23,50 кг/м³, замедлитель схватывания и твердения цемента на основе карбоновой кислоты в количестве 5,29 кг/м³, расширяющую добавку в виде оксидов кальция и магния в количестве 58,75 кг/м³, понизитель водоотдачи на основе сополимера AMPS в количестве 58,75 кг/м³.

Условия испытаний для состава № 2 были следующими: статическая температура на забое скважины: 40°C (104°F); динамическая температура на забое скважины 31°C (87,8°F); давление на забое: 22 МПа (3200 фунтов на кв.дюйм). Плотность раствора составляла 1850 кг/м³.

Свойства состава приведены в таблице 3 и 4.

Таблица. 3.

Реологические свойства испытательного состава №1, конфигурация вискозиметра: R-1, B-2, F-1

Перемешивание Кондиционирование - 30 минут Пластическая вязкость: 24 мПа*с Пластическая вязкость: 26 мПа*с Динамическое напряжение сдвига 2,87 Па Динамическое напряжение сдвига 5,75 Па

Таблица 4.

Дополнительные свойства испытательного состава №2.

Показатель Результаты Несвязанная вода 0% Фильтрационные потери 28 мл/30мин Время схватывания раствора в динамике до 30 единиц консистенции Бердена 02:36 Время схватывания раствора в динамике до 70 единиц консистенции Бердена 02:58 Изменение предела прочности при сжатии не разрушающим методом, выдержка образцов при 40°С (104°F) и 20 МПа (3000 фунт/кв.дюйм) 0,34 МПа (50 фунт/кв.дюйм) - 04:39
3,4 МПа (500 фунт/кв.дюйм) - 05:58
после выдержки 12:00 – 3,18 МПа (1286 фунт/кв.дюйм)
после выдержки 24:00 – 20,1 МПа (1712 фунт/кв.дюйм) Предел прочности разрушающим методом через 24 часа, выдержка образцов при 40°С (104°F) и 20 МПа (3000 фунт/кв.дюйм) 26,2 МПа (1712 фунт/кв.дюйм)

Пример 3.

Состав № 3 самовосстанавливающейся цементной системы на основе комплексной добавки.

Для приготовления заявляемого состава самовосстанавливающейся цементной системы на основе комплексной добавки брали портландцемент класса G в количестве 612,5 кг/м³, пресную воду в количестве 523,76 кг/м³, стирол-бутадиен-стирол СБС Л 7342 в количестве 79,63 кг/м³, стирол-бутадиен-стирол мелкодисперсный с содержанием частиц менее 100 мкм AXILAT PSB 150 в количестве 18,38 кг/м³, замедлитель схватывания и твердения цемента лигносульфонат кальция в количестве 2,45 кг/м³, расширяющую добавку в виде оксидов кальция и магния в количестве 122,5 кг/м³, понизитель водоотдачи на основе сополимера AMPS в количестве 4,9 кг/м³, двуокись кремния со средней удельной поверхностью около 20 кв. м/г в количестве 49,00 кг/м³, полые стеклянные микросферы в качестве облегчающей добавки в количестве 42,88 кг/м³, пеногаситель дипроксамин в количестве 1,53 кг/м³.

Условия испытаний для состава №3 были следующими: статическая температура на забое скважины: 45°C (143°F); динамическая температура на забое скважины 45°C (143°F); давление на забое: 34,47 МПа (5000 фунтов на кв.дюйм). Плотность раствора составляла 1470 кг/м³.

Свойства состава приведены в таблице 5 и 6.

Таблица. 5.

Реологические свойства испытательного состава №1, конфигурация вискозиметра: R-1, B-2, F-1

Перемешивание Кондиционирование - 30 минут Пластическая вязкость: 52,5 мПа*с Пластическая вязкость: 41,3 мПа*с Динамическое напряжение сдвига 11,97 Па Динамическое напряжение сдвига 9,58 Па

Таблица. 6.

Дополнительные свойства испытательного состава №3.

Показатель Результаты Несвязанная вода 0% Фильтрационные потери 34 мл/30мин Время схватывания раствора в динамике до 30 единиц консистенции Бердена 03:22 Время схватывания раствора в динамике до 70 единиц консистенции Бердена 03:40 Изменение предела прочности при сжатии не разрушающим методом, выдержка образцов при 40°С (104°F) и 20 МПа (3000 фунт/кв.дюйм) 0,34 МПа (50 фунт/кв.дюйм) - 06:30
3,4 МПа (500 фунт/кв.дюйм) - 12:44
после выдержки 12:00 – 3,1 МПа (455 фунт/кв.дюйм)
после выдержки 24:00 – 7,0 МПа (1009 фунт/кв.дюйм) Предел прочности разрушающим методом через 24 часа, выдержка образцов при 40°С (104°F) и 20 МПа (3000 фунт/кв.дюйм) 10 МПа (1450 фунт/кв.дюйм)

Изобретение может быть использовано при строительстве и эксплуатации скважин, подверженных стрессовым механическим нагрузкам на цементное кольцо. Состав самовосстанавливающейся цементной системы содержит воду, тампонажный цемент, комплексную добавку и остальное, выбранное из таких компонентов, как замедлитель схватывания, расширяющая добавка, понизитель водоотдачи, двуокись кремния, облегчающая добавка, пеногаситель, микроцемент, диспергатор. Комплексная добавка включает сополимеры стирол-изопрен-стирол, стирол-бутадиен-стирол мелкодисперсный с содержанием частиц менее 100 мкм и стирол-бутадиен-стирол линейного и/или разветвленного типов. Технический результат заключается в предотвращении образования трещин-каналов с риском получения перетоков вследствие образования трещин-каналов в процессе бурения и эксплуатации скважин в условиях различных температур. 1 з.п. ф-лы, 6 табл., 3 пр.

1. Состав самовосстанавливающейся цементной системы, содержащий воду, тампонажный цемент, отличающийся тем, что содержит комплексную добавку, включающую сополимеры стирол-изопрен-стирол, и стирол-бутадиен-стирол мелкодисперсный с содержанием частиц менее 100 мкм, и стирол-бутадиен-стирол линейного и/или стирол-бутадиен-стирол разветвленного типов, а также остальное до 100 мас.%, включающее такие компоненты, как: замедлитель схватывания, или расширяющая добавка, или понизитель водоотдачи, или двуокись кремния, или облегчающая добавка, или пеногаситель, или микроцемент, или диспергатор, взятые по отдельности или в смеси, где воды 37 мас.%, тампонажного цемента 43 мас.%, комплексной добавки 16 мас.%.

2. Состав самовосстанавливающейся цементной системы по п. 1, отличающийся тем, что содержит комплексную добавку, включающую сополимеры стирол-изопрен-стирол, и стирол-бутадиен-стирол мелкодисперсный с содержанием частиц менее 100 мкм, и стирол-бутадиен-стирол линейного, и стирол-бутадиен-стирол разветвленного типов.