Тампонажный состав Советский патент 1992 года по МПК E21B33/138 

Изобретение относится к области бурения глубоких и сверхглубоких скважин, в частности к производству тампонажных составов для ликвидации осложнений (открытых жильных, линзовых, трубчатых, каверновых. поглощающих и проявляющих каналов) при наличии в зонах агрессивного сероводорода при температуре 100-160° С. Может быть использовано при бурении в области геологии, нефтяной и газовой промышленности.

Известна полиакриламидная паста для изоляционных работ при нормальных температурах, приготовленная путем смешивания двух цементных суспензий, при следующем соотношении ингредиентов, мас.ч.:

Портландцемент

тампонэжный

Полиакриламид

(ПАА)

Хлорид

кальция

Вода

100 0,14-0,20

3,5-5,0 55-60

(см. Булатов А.И. и Данюшевский B.C. Там- понажные материалы. - М.: Недра, 1987, с. 242).

Основой этой пасты является портландцемент для холодных скважин, не обладающих коррозионной стойкостью в агрессивных средах, поэтому паста не может быть использована в условиях высоких температур при наличии сероводорода.

Известен тампонажный состав для изоляции зон поглощения промывочной жидкости в зонах соляного карста при наличии слабоминерализованных и сероводородсо- держащих вод, состоящий из каустического магнезита, хлористого магния, полиакриламида и воды при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

Каустический магнезит Хлористый магний ПолиакриламидВода

46,66-49.00 12,45-15.34

0,24-0,33 Остальное

Ј

Ч VI

О VI

О

(см. авт. св. СССР № 1051232, кл. Е 21 В 33/138. 1983).

Однако известный тампонажный состав предназначен для низких положительных температур и не может быть использован при бурении глубоких скважин в условиях высоких температур из-за малых сроков схватывания.

Также известен тампонажный состав для крепления нефтяных и газовых скважин при температуре 100° С, содержащий вяжущее, адапаты натрия и воду при следующем соотношении ингредиентов, мас.ч.: Шлаковый цемент ШПЦС100,0

Адапаты0.4-2,5

Вода47,5-49,6

(см. авт. св. № 1167306, кл. Е 21 В 33/138, 1985).

Однако известный тампонажный состав растекаем (растекаемость по конусу АзНИИ 220 мм, см. табл.) в зоне осложнения легко разбавляется пластовой водой и не обеспечивает изоляцию пористо-карстовых пластов при интенсивных поглощениях и агрессивных водопроявлениях.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому составу является тампонажный раствор для крепления высокотемпературных нефтяных и газовых скважин в условиях сероводородной агрессии, описанный в способе химической обработки тампонажных растворов (см. авт. св. СССР № 927972. кл. Е 21 В 33/138, 1982). В качестве вяжущего состав содержит металлургический шлак с песком, затворенные на водном растворе соли трехвалентного железа, и добавки пластификатора ПФЛХ (полифенол лесохимический) при следующем соотношении ингредиентов, мас.ч.:

Шлак60,0

Песок40,0

Нитрат железа5,5

ПФХЛ0,5

Вода55,0

Однако этот раствор на ранней стадии твердения растекаем и не позволяет качественно производить изоляцию зон интенсивных поглощений промывочной жидкости и водопроявлений в крупнопористых, кавер- новых пластах, несмотря на предварительное проведение тампонажных работ по снижению интенсивности поглощения.

Целью изобретения является повышение эффективности ликвидации осложнений открытых жильных, линзовых, трубчатых, каверновых, поглощающих и проявляющих каналов в условиях сероводородной агрессии при высоких температурах

за счет исключения растекаемости тампо- нажного состава.

Поставленная иель достигается тем, что состав, содержащий шлакопесчаный цемент, полимер, соль трехвалентного железа и воду, дополнительно содержит этилсили- кат и все ингредиенты взяты в следующем соотношении, мас.ч.: Цемент

ШПЦС-120100,0

Хлорид железа0,5-1,0

ПАА0,05-0,10

Этилсиликат1,0-3,0

Вода48,25-51,40

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый тампонажный состав отличается от известного введением новых компонентов, а именно кремнийорганического соединения - этилсиликата. Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию новизна. Анализ известных тампонажных составов (2,3.4), используемых в бурении для ликвидации осложнений в агрессивных средах показал, что некоторые введенные в заявляемое решение вещества известны. Например, шлаковый цемент, хлорное железо, полиакриламид. Однако, применение этих веществ в известных тампонажных составах не обеспечивает им свойства, которые проявляются в заявляемом решении. А так же известно использование этилсиликата для повышения коррозионной стойкости цементного камня.

Если на основе вяжущего портландцемента паста получается при введении в состав поливалентного металла и полиакриламида, при определенном соотношении ингредиентов (аналог 1), то в составе на шлаковой основе условия изменились, и для получения пасты одного полиакриаламида не достаточно (опыт 3, табл. 1). Этилсиликат в данных пределах не исключает растекаемости (опыт 4, табл. 1), а

в комплексе с полиакриламидом при определенном соотношении ингредиентов способствует достижению поставленной цели. Т. е. помимо известного качества в данном составе Этилсиликат выступает в новом качестве.

Таким образом, данный состав компонентов придает заявляемому тампонэжно- му составу новое свойство, что позволит сделать вывод о соответствии заявляемого

решения критерию существенные отличия.

По мнению авторов полимеры и хлорИд железа выполняют здесь совместно несколько функций:

загущают раствор, устраняют растекае- мость, увеличивают пластическую прочность раствора;

способствуют схватыванию и твердению смеси в агрессивной среде.

Кроме того, небольшие добавки ПАА предупреждают раннее схватывание цементного раствора при высоких температурах.

Механизм загущения раствора, очевидно, можно объяснить тем, что при добавлении ПАА к цементному раствору, содержащему хлорид железа, начинается образование устойчивых новых связей между молекулами ПАА и солью трехвалентного железа, в результате чего в межчастичном поровом пространстве образуется дополнительное количество твердого вещества, повышается вязкость поровой жидкости. По всей вероятности, этилсиликат усиливает этот процесс.

После затвердевания тампонажного раствора образуется цементный камень, объем пор которого заполнен раствором солей трехвалентного железа и продуктами его реакции с полимерами и некоторыми веществами тампонажного материала. При воздействии на такой цементный камень агрессивной среды, содержащей сероводород, создаются условия для химического связывания сероводорода, проникающего в цементный камень, с хлоридом железа. Продукты реакции заполняют поровое пространство цементного камня на границе его контакта с агрессивной средой (уменьшают пористость), затрудняя дальнейшую фильтрацию газа через него.

В конечном результате это ведет к повышению прочности цементного камня и стойкости его в агрессивных средах.

Механизм действия реагентов на гидра- ционное твердение вяжущих материалов объяснить трудно. Вероятно, замедление схватывания в данном случае можно объяснить адсорбцией положительно заряженных амидных групп полимера на поверхности отрицательно заряженных частицах шлака.

Паста образуется только при данном соотношении ингредиентов.

Пример приготовления предлагаемого состава в лабораторных условиях.

Для получения предлагаемого тампонажного состава были использованы следующие вещества:

Шлакопесчаный цемент ШПЦС-120 - ОСТ 39-017-80

Хлорид железа (3-х хлористое 6-ти водное) ГОСТ 4147-74

Полиэкриламид - ТУ 6-16-15-3-73

Этилсиликат - ТУ 6-02-06-67-86

Вода водопроводная

Вначале в отдельной емкости готовили 1,5%-ный водный раствор полиакриламида. Для этого в 3,25-6,40 мл воды при температуре 40-60° С растворяли 0,05-0,1 г сухого полиакриламида (порошок засыпают в воду постепенно, при перемешивании).

В другой емкости готовили раствор соли железа, для чего в 45,0 мл воды растворяли 0,5-1,0 г соли. В эту же емкость добавляли расчетное количество зтилсиликата. На полученном растворе затворяли шлаковый цемент Сиз расчета 100 г цемента на 46-48 мл жидкости затворения) и в него добавляли ранее приготовленный 1,5%-ный раствор полиакриаламида, а затем всю смесь перемешивали с помощью лабораторной мешалки в течение 1 мин со скоростью 90-100 об./мин, в результате чего был получен заявляемый тампонажный состав.

В ходе лабораторных испытаний определяли структурно-механические свойства полученного состава, а именно растекае- мость, густоту, сроки схватывания и прочность образующего камня.

Растекаемость определяли по ГОСТ 1581-85; густоту, сроки схватывания раствора и прочность цементного камня - по ГОСТ 310.3.76.

Для изучения сравнительной устойчивости цементного камня в атмосфере сероводорода использовали методику, описанную в литературе (см. Грачева О.П., Барбакадзе

Е.О. Химизм взаимодействия продуктов гидратации асбестоцемента с сероводородом. Тр. НИИасбесцемент. - М.: Госстрой- издат, 1963, вып. 17, с. 36-55).

Данные об ингредиентном составе и

свойствах предлагаемого и известных составов приведены в таблице 1.

Экспериментальные данные таблицы свидетельствуют, что добавка хлорида железа в количестве 0,5-1,0 мас.ч. при сохранении предельных значений остальных компонентов придает заявляемому составу свойство нерастекаемости (густоты) (опыты 6-15), Уменьшение содержания хлорида железа делает состав растекаемым и снижает

устойчивость камня в сероводородной среде (опыты 5, 6). Увеличение содержания хлорида железа резко сокращает сроки схватывания состава (опыты 17 и 18). Уменьшение содержания полимеров при минимальном содержании хлорида железа

делает состав растекаемым (опыт 5). Увеличение содержания полимеров так же снижает структурно-механические свойства состава (опыты 16 и 18).

Границы температурного режима обусловлены температурой твердения самого вяжущего (ШПЦС-120 предназначен для забойных температур 80-160° С).

Плотность заявляемого состава при испытании имела значения 1660-1720 кг/м3.

Предельные и оптимальные количественные значения ингредиентов предлагаемого состава выявлены на основании лабораторных испытаний и приведены в табл. 2.

В производственных условиях предлагаемый состав получают следующим образом:

В мерном отсеке одного цементировочного агрегата готовят 1,5%-ный раствор по- лиакриламида согласно расчету. В мерном отсеке другого агрегата на оставшейся воде готовят раствор хлорида железа, после растворения соли туда же добавляют расчетное количество этилсиликата. На этом растворе затворяют шлаковый цемент при водоце- ментном отношении 0,46-0,48. Полученную суспензию прокачивают в трубы, Парал- лельно другим агрегатов подают 1,5%-ный раствор полиакриламида. При смешивании растворов получается предлагаемый состав, который продавливается в зону поглощения.

На основании лабораторных исследований выявлены технико-экономические преимущества заявленного состава по сравнению с известным, которые состоят в том. что

заявляемый тампонажный состав стал нерастекаемым;

густота предлагаемого состава в 12-32 раза выше, чем у известного;

заявляемый тампонажный состав технологичен;

расход ПАА на одну долю цемента уменьшился в 2,8-5,6 раза, а солей железа - в 4-16 раз.

Указанные выше преимущества позво- л я ют сократить время на ликвидацию ос- ложнений за счет исключения намыва наполнителей и повторных заливок, что ведет к снижению расхода топлива, энергии, трудозатрат в 1,5 раза.

Использование предлагаемого тампо- нажного состава предполагается при бурениисверхглубокихскважинПрикаспийского региона. Благодаря высоким структурно-механическим свойствам композиций, а так же сохранению коррозионной стойкости камня в течение длительного промежутка времени, заявляемый состав позволит повысить эффективность изоляции зон осложнений в этом сложном регионе.

Формула изобретения Тампонажный состав, включающий шлакопесчаный цемент, полимер, соль трехвалентного железа и воду, отличающий- с я тем, что, с целью повышения эффективности изоляции зон осложнений в условиях сероводородной агрессии за счет исключения растекаемости, он дополнительно содержит этилсиликат, в качестве полимера - полиакриламид, а в качестве соли трехвалентного железа - хлорное железо при следующем соотношении компонентов, мас.ч.: Шлакопесчаный цемент100

Хлорное

железо0,5-1,0

Полиакриламид0.05-0,10 Этилсиликат1-3 Вода 48,25-51,40

Состав и свойства предлагаемого и известных составов

Состав и свойства предлагаемого и известных составов

Сущность изобретения: тамлонажный состав содержит компоненты, мас.ч.: шлако- песчаный цемент JOO, хлорное железо 0.5- 1,0, полиакриламид 0,05-0,10, этилсиликат 1.0-3.0, вода 48,25-51,40. На водном растворе хлорного железа и этилсиликата затворяют цемент. При добавлении раствора полиакриламида образуется паста. Тампо- нажный камень обладает высокой серово- дородостойкостью. 2 табл.

19 Портленд- Хлорид цемент кальция

Примечание. I. Сроки схватывания: в числителе - начало, в знаменателе - конец

Аналог I

Предельные и оптимальные количественные значения ингредиентов предлагаемого тампонажного состава

Таблица 2