ОБЛЕГЧЕННЫЙ ГАЗОБЛОКИРУЮЩИЙ ТАМПОНАЖНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ НАДПРОДУКТИВНЫХ ИНТЕРВАЛОВ (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к области строительства нефтяных и газовых скважин, в частности к облегченным тампонажным растворам, используемым при цементировании надпродуктивных интервалов газовых, газоконденсатных или нефтяных скважин, преимущественно, с большим газовым фактором, например более 100 м³/т.

Следует пояснить, что в настоящее время цементирование скважин, пробуренных в сложных геолого-технических условиях, осложняется наличием одновременно поглощающих и проявляющих пластов. Работы по изоляции поглощений не всегда успешны, и бурение заканчивается с остаточной приемистостью. Технологические методы, включающие возможность предупреждения миграции флюидов из пласта за счет создания затрубного давления в колонне; поинтервальной герметизации затрубного пространства с использованием заколонных механических пакеров и цементирования колонны двухступенчатым способом с возможностью разделения поглощающих и проявляющих интервалов, не всегда применимы в этих условиях.

В этом случае с целью снижения репрессии на «слабые» пласты обсадные колонны необходимо цементировать с использованием двух порций тампонажных материалов: нормальной плотности - для продуктивных пластов и облегченных - для верхней части разреза до устья (т.е. для надпродуктивных интервалов). Причем, при наличии интервалов с ананомально высоким давлением (АВПД), облегченные тампонажные материалы должны быть устойчивы к прорыву флюидов.

Известна облегченная тампонажная смесь, включающая тампонажный цемент, продукт флотации золы-уноса и воду (Авт. св. СССР №1573141).

Недостатком известной смеси является низкая растекаемость раствора, которая находится в пределах 19-20 см, что приводит к быстрому структурированию раствора, снижению противодавления на продуктивные пласты и опасности проникновения пластовых флюидов в ствол скважины и вышележащие проницаемые пласты. Увеличение периода раннего структурирования облегченной тампонажной смеси за счет увеличения водосмесевого отношения или ввода пластифицирующих добавок отрицательно сказывается на стабильности раствора, т.к. резко увеличивается водоотделение и раствор обладает низкой седиментационной устойчивостью, которые также способствуют возникновению межпластовых перетоков и нефтегазопроявлений в период ожидания затвердевания цемента.

Также известен облегченный тампонажный раствор, содержащий портландцемент тампонажный, облегчающую добавку - алюмосиликатные полые микросферы, глинопорошок и воду (Патент РФ №2151267).

Недостатком данного раствора является повышенное водоотделение, недостаточная седиментационная устойчивость и невысокие прочностные характеристики цементного камня при цементировании наклонно направленных или субгоризонтальных участков скважины.

Известен тампонажный материал для цементирования скважин с большим газовым фактором (Патент РФ №2447123), содержащий портландцемент, оксиэтилцеллюлозу, пластификатор, пеногаситель - модифицированный кремнеорганический реагент ПОЛИЦЕМ ДФ, модифицированный сополимер винилацетата ГАЗБЛОК и воду, при этом он дополнительно содержит расширяющую добавку - окись кальция или гидросульфоалюминат кальция, и ускоритель сроков схватывания - хлорид кальция, в качестве пластификатора материал содержит вещество, активным действующим началом которого является сульфированный меламинформальдегид, или продукт конденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида, или полиэфиркарбоксилаты, при следующем соотношении компонентов, масс.ч: портландцемент 95,0-99,9; указанная расширяющая добавка до 5,0; модифицированный сополимер винилацетата ГАЗБЛОК 1,0-2,0; оксиэтилцеллюлоза 0,3-0,5; указанный пластификатор 0,6-0,8; хлорид кальция до 2,0; указанный пеногаситель 0,1-0,2; вода 47-52, при этом, суммарное массовое содержание сухой смеси цемента и расширяющей добавки составляет 100 мас.ч., а массовое соотношение модифицированного сополимера винилацетата ГАЗБЛОК и расширяющей добавки в материале составляет 1:(2,5÷5,0) соответственно.

Указанный тампонажный материал не относится к облегченным и не может быть использован для цементирования надпродуктивных интервалов, т.к. основной целью использования облегченных тампонажных материалов, особенно при цементировании одноступенчатым способом, является снижение гидравлических нагрузок на продуктивные пласты в процессе цементирования за счет их низкой плотности.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является облегченный тампонажный раствор (Патент РФ №2325420), содержащий компоненты при следующем соотношении, мас.%: портландцемент тампонажный 48,8-51,8, алюмосиликатные полые микросферы 5,8-9,1, монасил 0,6-1,2 и вода 39,4-41,2.

Указанный известный раствор характеризуется высокой седиментационной устойчивостью и повышенной прочностью цементного камня, но может быть использован только в условиях умеренных температур (51-100°С). Применение его в условиях низких и нормальных температур (15-50°С) невозможно, т.к. в этих условиях проявляются недостатки этого облегченного тампонажного раствора: длительное время загустевания и формирования структуры цементного камня; в связи с чем, сформированный цементный камень после окончания технологического времени ожидания затвердевания цемента (ОЗЦ) будет проницаемым, а показатели механической и адгезионной прочности будут низкими. Все вышеперечисленные свойства характеризуют его низкую газоблокирующую способность и невозможность использования в условиях газопроявлений.

При создании предлагаемого изобретения решалась задача повышения качества цементирования надпродуктивных интервалов эксплуатационных колонн за счет предотвращения возникновения заколонных и межколонных газопроявлений в скважинах в условиях низких и нормальных температур.

Единым техническим результатом является разработка двух вариантов облегченного тампонажного материала с высокими газоблокирующими свойствами при одновременном обеспечении оптимальных требуемых свойств для качественного цементирования надпродуктивных интервалов в условиях низких и нормальных температур, а именно низкий объем фильтрации при низкой скорости фильтрации и регулируемое время формирования статического напряжения сдвига.

Для обеспечения этих свойств основное внимание уделялось выбору водосвязывающих добавок, не удлиняющих время твердения цементного камня. При подборе рецептуры все вышеперечисленные свойства были получены при комплексном вводе реагентов; понизителя фильтрации, пластификатора и стабилизирующих добавок, дополнительно снижающих фильтрацию цементного раствора - редиспергируемого сополимера винилацетата и акрилата и реагент Conmix H₂O_stop, активным действующим компонентом которого является силикат натрия. Кроме того, в сравнении с прототипом, оказалось, что цементный камень, сформированный из предлагаемого тампонажного материала по обеим вариантам, в вышеуказанных условиях, характеризуется низкой проницаемостью и высокой адгезионной и механической прочностью, что по совокупности свойств свидетельствует о его высоких газоблокирующих свойствах и возможности предотвращения возникновения газо- и флюидопроявлений, как в период «зависания» при гидратации цементного раствора, так и в дальнейшем, после формирования цементного камня.

Указанный технический результат достигается предлагаемыми вариантами облегченных газоблокирующих тампонажных материалов для цементирования надпродуктивных интервалов, включающих портландцемент тампонажный, алюмосиликатные полые микросферы, стабилизирующую добавку и воду, при этом по первому варианту новым является то, что материал дополнительно содержит понизитель фильтрации - оксиэтилцеллюлозу, пластификатор - полиэфиркарбоксилаты или вещество, активной составляющей которого является сульфированный меламинформальдегид, пеногаситель - модифицированный кремнеорганический реагент ПОЛИЦЕМ ДФ, и ускоритель сроков схватывания - хлорид кальция, причем в качестве портландцемента тампонажный материал содержит портландцемент марки ПЦТ 1G-CC-1, а в качестве стабилизирующей добавки - редиспергируемый сополимер винилацетата и акрилата при следующем соотношении компонентов, масс.ч:

при этом суммарное массовое содержание сухой смеси портландцемента, алюмосиликатных полых микросфер и стабилизирующей добавки составляет 100 масс.ч., а по второму варианту новым является то, что материал дополнительно содержит понизитель фильтрации оксиэтилцеллюлозу, пластификатор - вещество, активной составляющей которого является сульфированный меламинформальдегид, пеногаситель -модифицированный кремнеорганический реагент ПОЛИЦЕМ ДФ, и ускоритель сроков схватывания - этилсиликат-конденсат, причем в качестве портландцемента тампонажный материал содержит портландцемент марки ПЦТ 1G-CC-1, а в качестве стабилизирующей добавки - редиспергируемый сополимер винилацетата и акрилата и реагент Conmix H₂O_stop, активным действующим компонентом которого является силикат натрия, при следующем соотношении компонентов, масс.ч:

при этом суммарное массовое содержание сухой смеси портландцемента, алюмосиликатных полых микросфер, редиспергируемого сополимера винилацетата и акрилата и модифицированного силиката натрия оставляет 100 масс.ч.

С помощью растворимых в воде полимеров - понизителей фильтрации, повышающих вязкость водной фазы в цементном растворе и снижающих проницаемость схватывающегося цементного раствора, происходит остановка течения флюида через поры твердеющего цементного раствора. Учитывая, что миграция газа связана с вытеснением поровой жидкости цементного раствора, увеличение вязкости поровой жидкости приведет к ограничению подвижности газа.

Достижение же указанного технического результата обеспечивается за счет синергетического эффекта при определенном подборе компонентов (качественном и количественном) в заявляемых вариантах тампонажного материала.

Благодаря введению в тампонажный материал по первому варианту алюмосиликатных полых микросфер и одновременно стабилизирующей добавки - редиспергируемого сополимера винилацетата и акрилата, при определенном заявленном их массовом количестве, происходит дополнительное снижение водоотдачи и скорости фильтрации, уменьшение пористости цементного раствора и повышение адгезионных показателей за счет перекрытия пор или снижения проницаемости, что позволит в скважинных условиях предотвратить миграцию газа. Реагент уменьшает пористость цементного раствора, понижает водоотдачу, снижает относительную проницаемость для воды благодаря своему небольшому размеру и более низкой плотности, в сравнении с частицами цемента. Тампонажный материал по первому варианту обеспечивает качественное цементирование надпродуктивных интервалов в условиях до +30°С включительно.

Использование во втором варианте совокупности стабилизирующих фильтрацию компонентов: редиспергируемого сополимера винилацетата и акрилата и реагента Conmix H₂O_stop, активным действующим компонентом которого является силикат натрия, в определенном заявленном соотношении, обеспечивает снижение фильтрационных характеристик за счет уплотнения порового пространства продуктами реакции, образовавшимися при взаимодействии с катионами двух- и поливалентных металлов, растворенными в щелочной среде цементного раствора. Продукты реакции - гидросиликаты соответствующих металлов - труднорастворимые соединения, осаждаясь в поровом пространстве в виде аморфной массы или кристаллических частиц, кольматируют его, снижая проницаемость. В результате, также снижается проницаемость формируемого цементного камня и увеличивается его прочность.

Кроме того, этот материал может быть успешно использован в условиях газопроявлений при температурах до +50°С включительно за счет снижения объема фильтрации при повышенных температурах.

А за счет синергетического эффекта при взаимодействии компонентов друг с другом предлагаемый тампонажный материал по обоим вариантам будет обладать низкой скоростью фильтрации и регулируемым временем формирования статического напряжения сдвига, что позволит в промысловых условиях при цементировании исключить прорыв газа при твердении тампонажного материала после установки его в заколонном пространстве скважины.

Наличие в тампонажном материале по первому варианту ускорителя сроков схватывания - хлорида кальция совместно со стабилизирующей добавкой - редиспергируемым сополимером винилацетата и акрилата, а по второму варианту - этилсиликат-конденсата, совместно с комплексом стабилизирующих добавок - редиспергируемым сополимером винилацетата и акрилата и реагентом Conmix H₂O_stop, активным действующим компонентом которого является силикат натрия, позволяет обеспечить приемлемые сроки схватывания и твердения тампонажного материала, и одновременно с этим, по-видимому, оказывает химическое влияние на водосвязывающие добавки с образованием комплексных соединений, обеспечивающих достаточную прочность цементного камня. Это также позволяет сократить сроки схватывания и время формирования статического напряжения сдвига до необходимых пределов для цементирования надпродуктивных интервалов конкретной скважины и при этом получить раннее формирование тампонажного камня, не оказывающее отрицательного влияния на его прочностные свойства.

Использование в предлагаемом тампонажном материале пластификатора: полиэфиркарбоксилатов или вещества, активной составляющей которого является сульфированный меламинформальдегид, позволяет модифицировать структуру облегченного тампонажного состава, уплотняя ее, что способствует в свою очередь увеличению прочности тампонажного (цементного) камня. Кроме того, в совокупности с другими компонентами это приводит к замедленному развитию статического напряжения сдвига, что в промысловых условиях обеспечит передачу давления твердеющим тампонажным материалом и невозможность прорыва газовых флюидов в течение длительного времени.

Введение в предлагаемый тампонажный материал пеногасителя марки ПОЛИЦЕМ ДФ обеспечивает снижение пенообразования, а также в совокупности с алюмосиликатными полыми микросферами - раннюю и надежную стабилизацию плотности облегченного тампонажного материала, т.к. любые погрешности в плотности, допущенные при затворении тампонажного материала на поверхности, могут привести к неконтролируемым изменениям важнейших его показателей: реологии и времени схватывания, в скважине.

Использование в предлагаемом материале тампонажного портландцемента определенной марки ПЦТ IG-CC-1 обеспечивает низкое водопотребление тампонажного материала (В/Т=0,55-0,57) для обеспечения прокачиваемое™ тампонажного материала при плотности 1400-1500 кг/м³.

Для получения заявляемого облегченного газоблокирующего тампонажного материала в лабораторных условиях по обоим вариантам были использованы следующие вещества:

- тампонажный портландцемент марки ПЦТIG-СС-1 (ГОСТ 1581-96);

- алюмосиликатные полые микросферы по ТУ 5712-001-49558624-2003;

- оксиэтилцеллюлоза марки ГИДРОЦЕМ ТУ 2231-009-40912231-2003;

- пластификатор, активной составляющей которого является сульфированный меламинформальдегид ЦЕМПЛАСТ МФ, с pH 1%-го водного раствора 8,5-10,5; по ТУ 2223-011-40912231-2003;

- пластификатор - поликарбоксилат Melflux F, производитель Degussa Construction Polymers (SKW Trostberg, Германия); химический состав - порошковый продукт, полученный методом распылительной сушки на основе модифицированного полиэфиркарбоксилата. Технические данные: форма - желтоватый порошок; насыпная плотность - 400-600 г/л; потери при нагревании - макс.2,0 мас.%; 20% раствор при 20 град. С имеет рН=6,5-8,5. Особенности: высокоэффективный диспергатор; снижает усадку; эффективен в широком диапазоне температур;

- ускоритель сроков схватывания - хлорид кальция;

- ускоритель сроков схватывания - этилсиликат-конденсат;

- пеногаситель марки ПОЛИЦЕМ ДФ - модифицированный кремнеорганический реагент по ТУ 2228-010-40912231-2003;

- редиспергируемый сополимер винилацетата и акрилата (NEOLITH Р 6300) продукт итальянского производства фирмы F.A.R. (Fabrica Adesivi Resine SpA);

- реагент Conmix H₂O_stop, активным действующим компонентом которого является силикат натрия, выпускается в Таиланде фирмой Cormix International Limited;

- вода техническая.

Возможность осуществления заявляемого изобретения подтверждается следующими примерами.

Пример 1 (тампонажный материал по первому варианту):

Для получения предлагаемого облегченного газоблокирующего тампонажного материала в лабораторных условиях брали 570 г воды технической, 850 г портландцемента марки ПЦТ IG-CC-1; 120 г алюмосиликатных микросфер; 20 г хлорида кальция; 2,0 г оксиэтилцеллюлозы ГИДРОЦЕМ; 2,0 г пластификатора ЦЕМПЛАСТ МФ, 2,0 г пеногасителя ПОЛИЦЕМ ДФ и 30,0 г редиспергируемого сополимера винилацетата и акрилата. В результате был получен облегченный тампонажный материал со следующим содержанием компонентов, масс.ч: портландцемент ПЦТ IG-CC-1 - 85,0; алюмосиликатные микросферы - 12,0; редиспергируемый сополимер винилацетата и акрилата - 3,0; хлорид кальция - 2,0; оксиэтилцеллюлоза марки ГИДРОЦЕМ - 0,2; пластификатор ЦЕМПЛАСТ МФ - 0,2; пеногаситель марки ПОЛИЦЕМ ДФ - 0,2; вода - 57.

Пример 2 (тампонажный материал по второму варианту): Для получения предлагаемого облегченного газоблокирующего тампонажного материала в лабораторных условиях брали 600 г воды технической, 770 г портландцемента марки ПЦТ IG-CC-1; 150 г алюмосиликатных полых микросфер; 5 г этилсиликата-конденсата; 1,0 г гидроксиэтилцеллюлозы ГИДРОЦЕМ; 2,0 г пластификатора ЦЕМПЛАСТ МФ, 2,0 г пеногасителя ПОЛИЦЕМ ДФ, 60 г редиспергируемого сополимера винилацетата и акрилата и 20 г реагента Conmix H₂O stop. В результате был получен облегченный тампонажный материал со следующим содержанием компонентов, масс.ч: портландцемент ПЦТ IG-CC-1 - 77,0; алюмосиликатные микросферы - 15,0; редиспергируемый сополимер винилацетата и акрилата - 6,0; реагент Conmix H₂O stop - 2,0; этилсиликат-конденсат - 0,5; гидроксиэтилцеллюлоза марки ГИДРОЦЕМ В - 0,1; пластификатор ЦЕМПЛАСТ МФ - 0,2; пеногаситель марки ПОЛИЦЕМ ДФ - 0,2; вода 60,0.

Тампонажные материалы с другим содержанием компонентов готовили аналогичным образом.

В ходе лабораторных испытаний определяли по общеизвестным методикам следующие свойства облегченного тампонажного материала:

- плотность, г/см³;

- фильтратоотдача за 30 мин при ΔР=0,7 МПа, мл;

- водоотделение, мл;

- прочность цементного камня на изгиб/сжатие через 2 сут. хранения, МПа; а также определяли следующие свойства тампонажного камня:

- пластическая вязкость, мПа·с;

- динамическое напряжение сдвига, дПа;

- СНС 10 с/10 мин, дПа;

- время загустевания до 30 Вс, ч-мин;

- проницаемость цементного камня, мД;

- усилие выталкивания цементного камня из металлической обоймы, МПа.

При испытаниях газоблокирующих свойств тампонажного материала, проходивших в два этапа, на первом этапе по методике, описанной в докладе Муна и Ванга, «Акустический метод для определения статического напряжения сдвига цементного раствора». Jeff Moon, Р.Е., Steven Wang, SPE 55650, производилось определение статического напряжения сдвига (СНС) с помощью Анализатора Статического Напряжения Сдвига Chandler Engineering Model 5265 (SGSA). В результате испытаний определялось время формирования статического напряжения сдвига до 1200 lb/100 ft, мин.

На втором этапе проводились испытания по возможности прорыва газа через твердеющий цементный раствор. С этой целью проектировался тест миграции флюида (FMA), разработанный методом уменьшения масштаба с учетом термобарических условий скважины, описанный Beirute и Cheung (SPE 19522): Beirute, R.M. and Cheung, P.R.: "A Scale-Down Laboratory Test Procedure for Tailoring to Specific Well Conditions, the Selection of Cement Recipes to Control Formation Fluids Migration After Cementing," SPE 19522, 64th SPE Annual Technical Conference, San Antonio, Texas, October 8-11, 1989. Тест миграции флюида проводился с использованием Анализатора Миграции Флюида Chandler Engineering Модель 7150 (FMA) - лабораторного прибора для тестов рецептур тампонажных материалов с целью использования в управлении притоков пластовых флюидов после цементирования. Аппарат моделирует условия скважины (температуру, гидростатическое давление, пластовое давление, и градиент давления, вызывающий приток флюида через столб тампонажного состава).

Данные о компонентном составе предлагаемых и известных облегченных газоблокирующих тампонажных материалов для цементирования надпродуктивных интервалов приведены в таблице 1, а данные о их свойствах - в таблице 2.

Данные, приведенные в таблицах 1 и 2, показывают, что предлагаемый облегченный тампонажный материал при заявленном соотношении компонентов и при суммарное массовом содержании сухой смеси портландцемента, алюмосиликатных полых микросфер и стабилизирующей добавки (по первому варианту - редиспергируемого сополимера винилацетата и акрилата; по второму варианту комплекс реагентов - редиспергируемого сополимера винилацетата и акрилата и реагента Conmix H₂O stop) составляет 100 масс.ч., характеризуется следующими преимуществами перед известным по прототипу:

- замедленное развитие статического напряжения сдвига;

- низкий объем фильтрации при сниженной скорости фильтрации;

- низкая проницаемость тампонажного материала и цементного камня, что доказывает газоблокирующие свойства тампонажного материала.

В случае, если суммарное массовое содержание сухой смеси портландцемента, алюмосиликатных полых микросфер и стабилизирующей добавки (по первому варианту - редиспергируемого сополимера винилацетата и акрилата; по второму варианту комплекс реагентов - редиспергируемого сополимера винилацетата и акрилата и реагента Conmix H₂O stop) составляет менее (опыт 4) или более (опыт 8) 100 масс.ч., то свойства тампонажного материала не будут отвечать требованиям для цементирования газопроявляющих пластов, из-за:

- высокой фильтрации, седиментации, замедленной скорости гидратации и повышенной проницаемости сформированного цементного камня - при меньшем соотношении;

- высоких реологических показателей и сокращенного времени формирования статического напряжения сдвига и загустевания - при большем соотношении.