Композиция для приготовления аэрированного тампонажного раствора Советский патент 1992 года по МПК E21B33/138 

Изобретение относится к области крепления скважин и может быть использовано при цементировании скважин портландце- ментными растеорами низкой плотности как в нормальных геологических условиях, так и при наличии зон аномально низких давлений.

Известно применение поперхностно- активных веществ (ПАВ) в качестве эмульгаторов-пенообразователей аэрированных цементных растворов.

Известно применение.в аэрированных цементных растворах неионогенных ПАВ, .устойчивых к минерализации, в частности, ОП г-10, представляющего собой смесь мо- коалкилфенилооых эфиров полиэтиленгли- коля на основе полимердистиллята со степенью оксиэтилирования 10.

Химическая формула ОП-10

В-О-о(сн2-н:н2)10н t о . .

Јь.

ел со ю

Gs

ОП-10 растворим в воде, в том числе пластовой; но не растворяется в углеводородах. При этом растворение в воде при нормальных условиях является продолжительным (в течение 2-3 ч), или же для ускорения процесса требуется нагрев воды до 50°С; температура застывания 5-10°С,

Применение ОП-10 в количестве 0.05- 0,5% от веса цемента в сочетании с аэрацией позволяет получить пеноцементный раствор плотностью 800-1300 кг/м3.

Однако в ряде случаев (в условиях ЛНПД, наличия слабосцементирооанных пород, при малых кольцевых зазорах в скважине и др.) при цементировании колонн необходимо применять цементные рзстврры с меньшей плотностью.

Известно применение аэрированного портландцементного раствора с использованием в качестве пенообразователя 0,1- 0,5% ДПД-1, представляющего собой смесь неионогенных ПАВ натрийалкилфенилэток- сисульфата

0()ft-0-S02ONa О

и

20

и динатрийалкилфенилсульфонатэтокси- сульфата

R Yro(cH2--cH2}rro-so2ONa

S02ONa °

25

30

Применение ДПД-1 позволяет получить плотность цементного раствора в пределах 300-480 кг/м3.

Известный аэрированный раствор имеет следующие недостатки.

Применение его в Западной Сибири показало, что успешность операций цементирования составляет 80%. Неуспешным оказалось цементирование на скважинах, имеющих зоны катастрофических поглощений. Это обусловлено тем, что плотность тампонажного раствора недостаточно низка. Чтобы предотвратить процесс поглощения аэрированного тампонажного раствора и повысить успешность цементировочных работ в особо сложных геологических условиях, необходимо снизить его плотность путем увеличения воздухооовлечения.

ПАВ. используемое в известном составе, трудно растворимо в воде, особенно в условиях низких температур. В результате этого технологический процесс приготовления аэрированного тзмпонажногоо раствора на скважинах существенно усложняется: необходимо дополнительное оборудование для подогрева и перемешивания, значительные затраты времени и труда обслуживающего персонала.

Существенным недостатком состава является отсутствие промышленного произ

водства ДПД-1, что делает невозможным широкое его применение. Промышленный выпуск этого ПАВ в ближайшие годы не планируется из-за дефицита исходных продуктов синтеза.

Цель изобретения - расширение диапазона плотностей аэрированного тампонажного раствора, упрощение технологии его приготовления и повышение успешности цементирования скважин.

Поставленная цель достигается тем, что композиция для приготовления аэрированного тампонажного раствора, включающая портландцемент, пенообразователь, воздух и воду, в качестве пенообразователя содержит неионогенные ПАВ неонол АФ 9-12 - оксиэтилированные монозлкилфенолы три- меров пропилена со степенью оксиэтилиро- вания 12 и технологический отход производства олигомеров (например, оли- гоэфиракрилатов. олигоэфиров и др.) - вод- но-гликолевую смесь при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:

Портландцемент100

Неол АФ 9-12 оксиэти- лирозанные моноалкил- фенолы тримеров пропилена со степенью окси- этилирйвзния 12.0,2-0.6

Водно-гликолевая смесь0.1-1.4

Воздух0,01-0,02

. Вода 45-60

причем водно-гликолевая смесь содержит моноэтиленгликоль. этилцеллозольв. диэти- ленгликоль. триэтиленгликоль. этилкарби- тол и воду при следующем соотношении компонентов, мас.%:

27-35

27-35

5-8

2-5

5-8

Остальное

Неонол АФ 9-12- новый отечественный реагент. Средняя молекулярная масса неонола составляет 748 30 ед. Внешний вид - прозрачная маслянистая жидкость от бесцветной до светло-желтого цвета, плотностью 1.045 г/см3.

Химическая формула Р-СеНЮ (C2H iO)i2H. где R - разветвленный алкиль- ный радикал (изононил). Растворим в воде и органических растворителях. Неонол ЛФ 9- 12 явлчется высокоэффективным поверхностно-активным веществом, применяющимся как эмульгатор, смачиватель и для других цс

лей в ряде отраслей промышленности. Это нелетучий продукт с температурой кипения выше 280°С. По степени воздействия на человека относится к 3 классу опасности. Орга- нолептичес ие показатели: для водоемов хозяйственно-бытового пользования 0,1 мг/дм3, для водоемов рыбохозяйственного назначения 0.25 мг/дм3.

Благодаря более высокой степени окси- этилирования неонол АО 9-12 имеет более высокую термостабильность и может работать, сохраняя полный комплекс свойств (а т.ч. эмульгирующие, пенообразующие, стабилизирующие) при температурах до 130°С. Этот реагент недефицитен, именно поэтому применение его или композиции на его основе перспективно в нефтяной промышленности.

Результаты исследований (табл. 1. п. 4- 9} показали, что неонол АФ 9-12 - эффективный пенообразователь для тампонажных растворов, однако он не улучшает по сравнению с известным (п. 1-3) воздухововлекающую способность тампо- нажного раствора.

Достижение цели обеспечивает неонол АФ 9-12, модифицированный водно-глико- левой смесью (ВГС). Сама ВГС пенообразу- ющей способностью в среде цементного раствора не обладает (табл. 1, п. 10-11). Улучшение пенообрззующей способности -неонола АФ9-12 модификацией ВГС объясняется синергетическим эффектом (табл. 1, п. 17-20), что позволяет получить аэрированный раствор плотностью 240-390 кг/м3.

Водно-гликолевая смесь является технологическим отходом производства олигоме- ров, негостируемым, неутилизируемым и, согласно технологическому регламенту производства, уничтожаемым в печах сжигания. Обьем отходов - порядка 1000 т/год. Вещества, входящие в состав водно-гликолевой смеси - моноэтиленгликоль. диэтиленгли- коль. триэтиленгликоль, этиленкарбитол, этилцеллозольв - используется при получении продуктов органического синтеза, в частности таких олигомеров, как олигоэфирзкрилэты, олигоэфиры и др. Водно-гликолевая смесь образуется в результате очистки оборудования, емкостей, цистерн, трубопроводов, использовавшихся для указанных веществ.

Водно-гликолевая смесь может иметь различный состав. Эффективность рекомендуемого соотношения компонентов ВГСдо- казыоается результатами исследований, проведенных в ВГС различного состава (см. табл. 2).

Рецептура, приведенная в п. 15 табл. 1, включает В ГС состава 1,вп. 16-ВГС состава 3. При сравнении плотностей рзствороп по п. 15-17 видно, что предлагаемый состао ВГС наиболее эффективен (п. 17).

По своему химическому строению ука- 5 занные вещества в основном являются спиртами (моноэтиленгликоль, диэтиленг- ликоль, триэтиленгликоль, этилкарбитол), о этилцеллозольв - простым эфиром (моноэтиловый эфир этиленгликоля). Оба класса

10 соединений (спирты и эфиры) обладают поверхностно-активными свойствами и относятся к неионогенным ПАВ.

Водно-гликолевая смесь хорошо смешивается с водой и с неонолом АФ 9-12.

15 Краткая характеристика веществ, входящих в состав водно-гликолевой смеси.

Моноэтиленгликоль - НОСИзСН ОН - бесцветная низковязкая жидкость плотностью 1.113 г/см3. .6°С. .3°С.

0 смешивается с водой, спиртами и др

Этилцеллозольв - C2HsOC2H40H - бесцветная низковязкая жидкость плотностью 0.931 ,,60С, tnn -70°C, растворим в воде и органических растворителях.

5 ДиэтиЛенгликоль - (HOChtoCf hO - бесцветная низковязкая жидкость плотностью 1.1 г/см3. т,,8°С, , хорошо растворим в воде и органических растворителях.

0 Триэтиленгликоль - НО-СН2-СН2-0- СН2СН2-0-СН2СН2-ОН - бесцветная нелетучая ЖИДКОСТЬ. Тсэмовоспламенения 371°С.

Этилкарбитол - C2Hs-OCH2-CH2 0- СН2-ОН - жидкость слабо-желтого цвета,

5 температурные пределы воспламенения - 97-112°С, безгранично смешивается с водой, растворим в органических растворителях.

Все названные вещества согласно

0 ГОСТ 12.1.007-76 относятся к 3 классу опасности.

Обладая антифризными свойствами, водно-гликолевая смесь предотвращает застывание неонола при низких температу5 pax. В табл. 3 приводится температура замерзания растворов неонола АФ 9-12 в водно-гликолевой смеси. t,ф ,

Применение предлагаемого сочетания реагентов делает практически мгновенным

0 процесс растворения неонола в воде как при положительных, так и при отрицательных температурах, в результате чего существенно упрощается t технология приготовления аэрированных тампонажных

5 суспензий, особенно в условиях низких температур.

По сравнению с известным значительно сокращаются затраты времени на приготовление раствора, исключается необходимость подогрева и применения дополнительного оборудования и средств.

Как видно из данных табл. 1. аэрированный портландцементный раствор, приго- товленный с применением в качестве пенообразователя неонола АФ 9-12, модифицированного водно-гликолевой смесью, характеризуется более эффективным пено- образованием, при этом диапазон плотностей получаемого раствора расширяется по сравнению с известным (см. табл. 1, п. 1-2, 17-20). Тампонажный камень не уступает в прочностных свойствах получаемому по известным рецептурам.

Аэрированный тампонажный раствор имеет 100%-ную устойчивость, характеризующую его высокую стабильность во вре- мени. Устойчивость определяли в соответствии с РД 2-1232-84.

Прочностные характеристики по п. 4-16 и 22 табл. 1 не приведены в связи с тем, что соответствующие им составы показаны для доказательства эффективности предлагаемой композиции по сравнению с известным 25 раствором и каждым из компонентов (нео- нол-, ВГС) в отдельности, а также эффективности выбранных соотношений, а именно один неонол АФ 9-12 не обеспечивает существенного снижения плотности по срав- 30 нению с известным раствором (см. табл. 1 п. 1-3 и 4-9), а при вводе в цементный раствор только ВГС пенообразование вообще не наблюдается (п. 10-11); состав по п. 12 имеет высокую плотность по сравнению с 35 известным (1600 кг/м вследствие недостаточной аэрации (содержание воздуха 0.005 мас.ч. на 100 мзс.ч. цемента): состав по п. 13 показывает нецелесообразность увеличения содержания воздуха до 0.025 мас.ч. на 40 100 мас.ч. цемента: состав по п. 14 является запредельным по ВГС: состав по п. 14 является запредельным по ВГС: вследствие недостаточного содержания ВГС не обеспечивается снижение плотности по 45 сравнению с известным: состав по п. 22

-имеет высокую плотность(1100 связи с недостаточным количеством жидкости затворения и также не соответствует поставленной цели.БО

В табл. 1 приводится количество воздуха, которое подается в цементный раствор у может быть вовлечено в структуру получаемой аэрированной системы. Такие факторы, как заданная скорость подачи воздуха. 55 скорость вращения мешалки, габариты установки и т.п.. при проведении экспериментов выдерживались строго постоянными. Однако известно, что фактическое содержание воздуха в системе зависит не только от

количества вводимого воздуха, но и от количества используемых структурообраэовате- лей - поверхностно-активных компонентов, в частности неонола АФ 9-12 и ВГС. Это подтверждается табличными данными по плотности. Так, в п. 14 и 17 при одинаковом количестве вводимого в систему воздуха (0,02 мас.ч.). но разных количествах вводимого ПАВ (0,25 мзс.ч. в п. 14 и 0,4 мае. ч. в п. 17) плотности растворов отличаются.

Подбор рецептур осуществляют следующим образом.

Количество неонола АФ 9-12 определяют по эффективности воздухововлечения портландцементным раствором и снижению его плотности.

Соотношение компонентов в водно-гликолевой смеси определено спецификой технологических операций по очистке и промывке оборудования и др.

Соотношение неонола АФ 9-12 и водно- гликолевой смеси находят эмпирически так. чтобы достигнуть повышения эффективности пенообразсвания в среде аэрированного портландцег. ентного раствора и обеспечить расширение диапазона плотностей по сравнению с известным без ухудшения прочностных характеристик образующегося камня.

Необходимое водоцементное отношение находили с учетом способности цементного раствора к эффективному вспениванию в присутствии применяемых реагентов, а также седиментационной устойчивости получаемой аэрированной пено- цементной системы и прочностных характеристик сформированного в стандартных и термобзрических условиях тампо- нажного камня.

Количество подаваемого воздуха определяют с учетом способности вспенивать цементный раствор и-снижать его плот- -ность.

Аэрирование портландцеметного раствора производчт с помощью компрессорной установки при контролируемой расходе воздуха.

Контроль плотности получаемого раствора осуществляется пикнометрическим способом.,

Измерение прочности.цементного камня производится по стандартным методикам.

П р и м е р 1. Готовят гампонэжный раствор в соответствии с п. 17 табл. 1. содержащий, мпс.ч. (г):

100 0.2

(300) (0.6)

0.2 60

(0.6) (180)

Для этого смешивают 0,6 г нсонола и 0,6 г ВГС. получают смесь . В воду затгюрс- ния в количестве 180 г омосяг наоеску цемента 300 г и перемешивают в сферической чаше в течение 3 мин. В полученный цементный раствор вводят смесь 1 и после пере- мешиоанпя з течение 3 мин цементный раствор аэрируют на лабораторной установке в соотсетствии с методикой РД 2-1232- 84 при подаче воздуха, соответствующей 0,02 мас.ч. Плотность получаемого вспененного псргландцементного раствора 390 кг/м3. Устойчивость рзсгвора 100 %. Сформированный из этого раствора тампонаж- ный камень через 43 ч имеет следующие характеристики: при и ,1 МПа Oii3r 1.0 МПз. ,2 МПа; при и МПа .5 МПа. ,3 МПа.

П р,и м е р 2. Готовят раствор в соответ- ствии с п. 18 табл. 1, содержащий, мас.ч. (г):

Портландцемент100(300)

НеонолАФ9-120.3(0.9)

ВГС ..0.2(0.6)

Вода45(135)

Аэрированный тампонажный раствор готовят в последовательности, указанной в Примере 1, при подаче воздуха, соответст- вующей 0.01 мас.ч. Плотность полученного раствора 280 кг/м3. Устойчивость 100%. Тампонзжный камень, сформированный из этого раствора, имеет через 48 ч следующие харатеристики:приг 22°СиР 0.1. МПа а«г МПа. .2 МПа: при и МПа .2 МПа, ,2 МПа.

П р и м е р 3. Готовят раствор в соответ- ствии с п. 20 табл. 1, содержащий, мае. ч. (г):

Портландцемент100(300)

НеонолАФ9-120.6(1.8)

ВГС. 1.4(4.2)

Вода 50(150)

50

Аэрированный тампонажный раствор готовят в последовательности, указанной в примере 1. при подаче воздуха, соответствующей 0,02 мас.ч. Плотность полученного

раствора 240 кг/м3. Устойчивость 100%. Тампонажный камень, сформированный из этого раствора через 48 ч имеет следующие характеристики: при и .1 МПа 55

(.8 МПа. .2 МПа: при и МПа ,8 МПз. сгсж 4,8 МПа.

5 10 15 20

5

0 5 .6

0

5

0

5

Преимущества предлагаемой композиции для приготовления аэрированного там-- понажного раствора заключаются в следующем.

Применение предлагаемых реагентов позволяет при эффективном пенообразова- нии в среде аэрированного портландцемен- тного раствора существенно расширить диапазон плотностей и упростить технологию его приготовления, j

Одновременно удастся решить проблему утилизации технологического отхода производства олигомеров. имеющегося на том же предприятии, которое выпускает не- онол АФ 9-12, исключить его сжигание и связанные с этим затраты и способствовать оздоровление окружающей среды.

Цементирование скважин с использованием предлагаемой композиции для приготовления аэрированного тампонажного раствора позволяет избежать разрыва пластов в зонах аномально низких давлений, исключить возникновение зон поглощения, избежать связанных с этим больших материальных и трудовых затрат на их ликвидацию, позволяет повысить качество цементировочных работ и обеспечить подъем цементного раствора до устья скважины в сложных геологических условиях.

Формула изобретения

Композиция для приготовления аэрированного тампонажного раствора, включающая портландцемент, пенообразователь, воздух и воду, отличающаяся тем. что. с целью расширения диапазона плотностей, упрощения технологии приготовления раствора и повышения успешности цементирования скважин, она содержит в качестве- пенообразователя неионогенные ПАВ нео- нол АФ 9-12 - оксиэтилированные моноал- килфенолы тримеров пропилена со степенью оксиэтилирования 12, водно-гли- колевую смесь и технологический отход производства олигомеров при следующем соотношении компонентов, мае.: :fe

Портландцемент100

Неонол АФ 9-12-оксиэ- тилированные моноалкил- фенолы тримеров пропилена со степенью оксиэти- лирования 120.2-0.6

Водно-гликолевая смесь 0,1-1,4 Воздух 0.01-0.02

Вода45-60

причем в одно-гликолсвая смесь содержит моноэтиленгликоль, этилцеллозольв, диэтиленгликоль. триэтиленгликоль. этилкарби- тол и воду при следующем соотношении компонентов, мае.:

Моноэтиленгликоль

27-35 5

27-35

5-8

2-5 5-8 Остальное

Аэрированный тампонажный раствор используется для цементирования скважин портландцементным раствором низкой плотности в нормальных геологических условиях и при наличии зон аномально-низких давлений. Он содержит, мас.ч.: портландцемент 100; оксиэтилированные моноалкил- фенолы тримеров пропилена со степенью оксиэтилирования 12 неонол АФ 9-12, вод- но-гликолевую смесь 0,1-1,4; воздух 0,01- 0.02 и воду 45-80. 3 табл.

Вочмо-гликолевяя еиес.

) Предлагаемый состав ВГС.

Таблица 2

Таблица 3