Способ цементирования скважин Советский патент 1984 года по МПК E21B33/138 

Изобретение относится к бурению скважин, а именно к способам первичного цементирования неустойчивых стволов скважин и проведению ремонт но-изоляционных водопритоков через нарушенный цементный камень и тонко пористые пласты стенок скважин, Известны различные варианты способа цементирования скважин, предусматривающего повышение устойчивости стенок пробуренных скважин и Устранение перетока флюидов, сущнос которого заключается в последовател ной закачке кольматирующего и крепя щего составов, например 3-30%-ных растворов водорастворимых силикатов золой кремнезема, образующихся в ре зультате взаимодействия кремниевых кислот пластовых вод и НС1 l, а гакже синтетических смол или .концентрированных растворов полимеров 2 1с последующим докреплением цемен ными суспензиями. Применение этого способа обусловлено хорошей структу рирующей и адгезионной способностью тампонажных материалов. Однако этот способ цементирования не всегда позволяет достичь нуж ного эффекта вследствие низкой проникающей способности применяемых ре агентов, которые не фильтруются в пласт. Кроме того, золи водорастворимых силикатов и кремниевой кислоты мгновенно коагулируют при изменении РН среды, а при контакте с пластово ,водой мгнове,нно превра1ааются в осаж даЮ1г1ийся плотный гель. Поэтому тонкодисперсные - 15-20 А частицы и молекулы раствора подходя к пласту в виде хлопьевидных агрега тов, кольматируют его на незначительную глубину, забивают вход в по ры, и дальнейшего проникновения реа гента не происходит. Если в качестве кольматиру :)щего состава применяются синтетические смолы - феноллормальдегидные, акриловые, эпоксидные и др., то структу рированный слой также образуется в зоне контакта закачиваемого реагента с цементом, что обусловлено вь1сокой вязкостью смол и наличием в них крупных надмолекулярных образований, скапливающихся у поверхности Наиболее близким к предлагаемому является способ цементирования скважин, включающий предварительное закачивание в скважину фильтрующего реагента с последующим докреплением цементным раствором СЗ}, При известном способе цементирования мицеллы полимера проникают в поры пласта более глубоко, однако полимерный коагулят в порах имеет невысокую структурирующую способность, а адгезия на границе с цемент ным раствором в контактной зоне незначительна, упрочнение цементного камня Замедлено, Вследствие перечисленных причин при использовании известного способа цементирования также не всегда достигается положительный результат, особенно при невысоких температурах ствола скважин и низком содержании электролитов в пластовой воде, что характерно, в частности, для большинства месторождений Западной Сибири. Цель .изобретения - повышение проникающей, структурообразующей и адгезионной способности тампонажных материалов. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу цементирования скважин, включающему предварительное закачивание в скважину фильтрующегося реагента с последующим докреплением цементным раствором, предварительно закачивают фильтрующийся водный аэросильно-щелочной золь с концентрацией органоаэросила 0,05-1.2%, а затем закачивают кольматирующий водный аэросильно-щелочной гель с концентрацией органоаэросила 5-12%. Кроме того, используют аэросильно-щелочной золь и гель при соотношении органоаэросила и щелочи 8:1 12:1. В качестве органоаэросила используют диэтиленгликольаэросил. Применяемые реагенты - аэросильно-рделочной золь (АЩЗ| и аэросильнощелочной гель (AWf) содержат одни и те же ингредиенты (органоаэросил и щелочной компонент и предЬтавляют собой водные стабильные дисперсии коллоидного кремнезема, но находятся они в различном физическом состоянии, .обусловленном концентрационным диапазоном твердой фазы. АЩЗ - опалесцирующая жидкость, в объеме которой равномерно распределены свободновзвешенные индивидуальные частицы органоаэросила. Это позволяет реагенту свободно фильтроваться в микропоры породы, а вследствие действия стерических и гщсорбционных факторов, удерживаться в них. АЩГ - структурированная студнеобразная .дисперсия , в ее объеме микроагрегаты частиц органоаэросила ф 1ксированы ,в пространственной легкоподвижноП тиксотропной коагуляционной сетке. Это позволяет реагенту при движении заполнять трещины, крупные поры и кольматировать их, структурируясь в локое и под воздействием электролитов. Способ осуществлйется следующим образом. Первоначально закачивается расчетное количество приготовленного в мернике цементировочного агрегата или в промежуточной осрелнительной емкости АЩЗ, полученного путем последовательного растворения (пепти,зации) в 0,1 м. воды 0,05 кг щелочи или соды и 0,5 кг органоаэросила. Затем закачивается расчетное количе тво приготовленного таким же способом АЦГ, в котором на 0,1 м воды приходится 1 кг щелочи или соды и 10 кг органоаэросила. После чего за качивается цементный тампонажный раствор. Аэросильнотщелочные реагенты готовятсяна основе гидрофильных (сма чиваемых водой) органоаэросилов диэтиленгликольаэросила (АДЭГ), ами ноэтоксиаэросила (АЭА), карбоксиаэросила (КОА),бутоксиаэросила (Б50) и др., и щелочного компонента МаОН, .КОН, NagCOj . При осуществлении предлагаемого способа цементирования допустимо в зоне смешения соотношения АМЗ и в любом концентрационном диапазоне. В табл.1 приведены .реологические характеристики ( fi,г) и пластическая прочность Р А1ПЗ и АЩГ в зависимости от концентрации АПЧГ, вила щелочного компонента при соотношени органоаэросил-щелочь - 10:1. Концентрационный диапазон органо аэросила в АЦЗ и АЩГ выбирался исходя из реологических свойств реагентов (табл. 1 ) и их способность к фильтрации (ЛЩЗ - табл.31 - и струк турированию, которые зависят от внутреннего строения дисперсии размера агрегатов, их свободного распределения или сцепления в объеме системы. Соотношение органоаэро сила со щелочным компонентом и вид органоаэросила обусловливались размером частиц и временем их скрытой коагуляции в пластовой воде (табл.2 Концентрационный диапазон твердой фазы в АЩЗ обусловлен: нижняя граница 0,05% - эффективностью заиливающего действия в керне (стеклянный (Ьильтр Шотта с размером пор 7 мкм) с самыми тонкими порами, вер няя гоаница - 1,2%. предопределена агрегированием частиц органоаэросила в золях с более высокой.концентр цией , что видно из электронно-микроскопических исследований дисперс ности. В золях 0.05%-ной концентрации обнаружены только одиночные час ,тицы 40-100 в золях 0,5-1,2% концентрации имеются частицы и агре гаты с размерами (100-400 X) повыше ние концентрации свыше 1,2% приводи к появлению агрегатов с размером до 1 мкм, такие агрегаты образуются и в пластовой воде. Из табл. 1 и 3 видно, что в АЩЗ нижний концентрационный предел (0,05% органоаэросила / твердой фазы обоснован началом удерживания части в порах, что должно обусловить постепенное заклинивание тонких пор, верхний концентрационный диапазон является пределом существования неструктурированной устойчивой системы, о чем свидетельствует появление /предела текучести (f ) и пластичес,кой прочности (Pfn), а также резкое возрастание вязкости ( приводит к снижению проникающей способности золя (уменьшению количества прошедшей сквозь поры твердой фазы при увеличенном времени фильтрации), так как появление крупных агрегатов в золе снижает его седиментационную устойчивость и ведет к отложению твердой фазы на поверхности. Концентрационный диапазон твердой фазы в АЩГ выбран в соответствии с реологическими и прочностными характеристиками геля - концентрационному диапазону 5-12% соответствует оптимум по комплексу: минимальное значение вязкости, напряжения сдвига в потоке и высокие величины пластической прочности в покое. Как видно из табл.1, АЩГ при концентрациях органоаэросила до 5% отличается еще очень низкой пластической прочностью, пределом текучести и вязкостью пространственной структуры, что не обеспечивает ее стабильности и способности к эффективному структурообразова|1ию в КРУПНЫХ порах. При концентрациях вьлае 12% наблюдается сильное нарастание вязкос ги системы ( эф ) что предопределяет Ухудшение степени заполнения тонких трещин реагентом, при этом отсутствует значительное дополнительное упрочнение Р структуры под влиянием пластовой воды, в связи с чем дальнейшее повьписние концентрации АЩГ неэффективно, так как проникающая способность реагентов и прежде всего АЩЗ особенно в присутствии пластовой воды является наиболее важнЕлм звеном в достижении эффекта от предлагаемого способа. Эти органоаэросилы в щелочных растворах образуют золи с различной степенью устойчивости частиц к агрегации, зависящей от природы поверхности аэросила и концентрации щелочи. Установлено, что минимальное соотношение органоаэросил-щелочь, при котором частицы находятся полностью в дезагрегированном состоянии (в чистой воде они выпадают в виде осадка ), составляет 12:1,.максимальное соотношение - 8:1 обусловлено тем, что при дальнейшем повышении концентрации щелочи начинается постепенное растворение частиц аэросила вплоть до получения истинных растворов вместо золей (табл.2).i Однако истинные растворы при сме шении с пластовой водой мгновенно дают осадок, в связи с чем исключается возможность их закачки в поры пласта, тонкодисперсные органоаэросильнощелочные золи при взаимодействии с пластойой водой коагулируют лишь через 20-30 мин {табл.2А что позволяет им проникнуть на заданную глубину. Наиболее устойчивые к агрегации частиц органоаэросильные золи получаются на основе диэтиленгликольаэросила, эти золи представляют собой опалесцируквдие, не расслаивающиеся в процессе длительного хранения, перемешивания, температурного воздействия (10-70°С) системы с минимальным размером частиц (табл. 2 Закачивание фильтруЕощего разбавленного водного органоаэросильнощелочного реагента, в котором твердая фаза - органокремнезем, имеет минимально возможный для условий современной технологии.получения ус тойчивых коллоидных золей размер индивидуальных шарообразных частиц 100-200 А (табл.3), позволяет обеспечить проникновение золя в поры и дефекты с диаметром О, 1-7 мкм на любую необходимую глубину по пласту и путем заиливания закупорить самые тонкие из них. Заполнение тонких пор происходит необратимо, ибо частицы - агрегаты кремнезе мов не подвержены усадке, перекристаллизации или раствопениш п обычных условиях пласта и удерживаются в каналах за счет межмолекулярных сил, водородных связей и стерических факторов, со временем происходи химическая конденсация межчастичных концевых силанольных групп. Как вид но из табл.3 применение предлагаемо го способа цементирования по сравне нию с известным (Лильтрация гипана) позволяет увеличить проникающую способность в поры с размером 0,13 мкм в 4 раза, с размером 3-7 мкм в два раза и заполнить поры и трещи ны диаметром менее 0,1 мкм, в которы ранее вообще не наблюдалось проникно вение реагентов, так как все они-на таких тонкопористых фильтрах (породе, цементном камне) полностью отла гаются на поверхности. Последующее закачивание концентрированного водного органоаэросиль нощелочного реагента АЩГ, обладающе го отличными реологическими свойствами рыхлой пространственной коагу ляционной структуры геля (табл.1) и состоящего из агрегатов частиц органоаэросила с размером 0,1-1 мкм, способных дополнительно медленно коагулировать при воздействии электролитов пластовой воды, обеспечивает кольматацию пор и выемок в породе и старом цементном камне с размером входных отверстий до 10 мкм. Сплошной приповерхностный структурированный Слой из гипана, покрываквдий керн, содержит много дефектов, воздушные включения; АЩГ, закачиваемый после заполнившего мелкие поры АЩЗ, плотно кольматирует каждую крупную выемку керна. Поэтому фильтрация пластовой воды (табл.4) через закольматированные АЩЗ и АЩГ песчаные керны значительно затруднена уже в первые минуты после проведения изоляционных работ, а благодаря повышенной структурируклцей способности реагентов она к семи суткам на порядок ниже, чем в случае применения полимерного материала. Данные, приведенные в табл.2 (пластическая прочность в пресной и соленой воде ) и табл,4 (соотношение профильтрованной воды после кольматации и через 7 сут. выдержки/, позволяют сделать вывод о том, что структурирующая свособность реагентов по предлагаемому способу цементирования в 2-4 раза выше по сравнению с известным способом, Докрепление цементным раствором позволяет завершить процесс изоляции и создать на контакте АЩГ - цементный камень быстротвердекяцую с высокой адгезионной прочностью контактную зону (табл. 5 и б/. Под влиянием кальцийсодержащего фильтрата тампонажного цементного раствора резко увеличивается прочность АЩГ в приповерхностном структурированном слое, а в свою очередь воздействие геля на цементный раствор при взаимопроникновении составов ускоряет схватывание и твердение крепящего цемег.-тноро раствора в отличие от зги ледляющего действия гипана. Как свидетельствуют данные табл. адгезионная способность тампонажных материалов при использовании предлагаемого способа цементирования по сравнению с известным возрастает в ранние сроки отвердевания (нарастание пластической прочности ) в 2,5-4 раза, в поздние сроки (гшкротвердость через 7 сут.) в 1,21,3 раза. Происходящее вблизи приповерхностной контактной зоны смешение остатков ранее закаченного АЩГ с крепящим цементным раствором позволяет ускорить схватывание тампонажного материала и улучшить прочностные показатели цементного камня, полученного из раствора зоны смешения АЩГ с цементом, как это показывают результаты испытаний,приведенные в табл.6. Эти свойства контактной зоны и камня предупреждают размывание тампонаж ного материала. Предлагаемый способ цементирования позволяет по сравнению с известным способом повысить успешность изоляционных работ и обеспечить долговечность герметизации скважин. Таблица

Продолжение табл. 2

1. СПОСОБ ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ СКВАЖИН, включающий предварительное закачивание в скважину фильтруюгцегося реагента с последующим докреплением цементным раствором, отличающийся тем, что, с целью повышения проникакнцей, структурообразующей и адгезионной способности тампонажных материалов, предварительно закачивают фильтрующийся водный аэросильно-щелочной воль с концентрацией органоаэросила 0,051,2%, а затем закачивают кольматирующий водный аэросильно-п1елочной гель с концентрацией органоазросила 512%. i 2.Способ по п.1, отличающий с я тем, что используют аэ(Л росильно-щелочной золь и гель при соотношении органоаэросила и щелоС чи 8:1 - 12:1. 3.Способ ПОП.1, отлича ющ и и с я тем, что в качестве органоаэросила используют диэтиленгликольаэросил. со со о ел :о

Таблица 3

Концентрация реаген- тов, %

0,05 АЩ343 АЩГ 0,05 AlH3f5 А1ЧГ

Таблица

Количество фильтрата, %

Через 7 сут

42 1

75 54

7 АЩГ+0,7 с пластовой водой3,4

5 Гипан с пластовой водой известный1,5

1:12 1:3

Продолжение табл. 4

Таблица 5

9,3 13,6 35,0 3,50

5,11

6,0 12,0 1,60

2,43

Таблица

ИЗО

10,6 0.74

3,0 736 10,1 1,03 1,8

ГГродолжение табл. 6

ционной неустойчивости определение невозможно