Результат интеллектуальной деятельности: Тампонажный состав для крепления продуктивной зоны скважины

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к строительству нефтяных и газовых скважин, и может быть использовано при креплении скважины в зоне продуктивного пласта тампонажным материалом с добавлением пеностекла.

Известен облегченный тампонажный раствор для продуктивной зоны скважины и способ цементирования скважин (патент RU №2255205, МПК Е21В 33/138, опубл. 27.06.2005 г., бюл. №18), в котором указан состав тампонажного раствора для цементирования интервала продуктивного пласта, включающий портландцемент, оксихлорид алюминия, понизитель водоотдачи, пеногаситель, ускоритель схватывания и пластификатор.

Недостатками данного раствора являются малая прочность цементного камня на изгиб и сжатие, низкая адгезия цементного раствора к обсадной трубе и породе.

Наиболее близкой по составу и назначению к предлагаемому тампонажному составу является рецептура тампонажного раствора (Опыт повышения качества крепления скважин в ОАО «Татнефть»/ Р.С. Хисамов [и др.] // Нефтяное хозяйство. - 2012. - №5. С. 45-47, и Опытное применение облегченной тампонажной смеси в ОАО «Татнефть»/ А.Я. Вакула [и др.] // Бурение и нефть. - 2013. - №4. - С. 26-28). В качестве наполнителя в ней использованы стеклянные полнотелые увеличенные в объеме (0,1 - 0,8 мм) гранулы плотностью 1000 кг/м³ с закрытыми порами.

Недостатком данного тампонажного состава для цементирования продуктивного интервала является нестабильность состава из-за высокой гигроскопичности (до 10%), препятствующей равномерному смешению с сухим цементом с образованием комков, что может привести к недостижению заявленной прочности сцепления цементного камня с обсадной колонной.

Техническими задачами настоящего изобретения являются сокращение материальных и финансовых затрат за счет уменьшения расхода используемого и более дешевого инертного абразивного наполнителя, а также расширение технологических возможностей применения тампонажного состава за счет возможности изменения диапазона плотностей при сохранении высоких технологических показателей получаемого раствора и высокой прочности цементного камня из него, а также прочности сцепления цементного камня с обсадной колонной и стенкой скважины.

Поставленные технические задачи решаются описываемым тампонажным составом для крепления продуктивной зоны скважины, включающим тампонажный портландцемент, абразивную добавку.

Новым является то, что состав дополнительно содержит пеногаситель и понизитель водоотдачи, а в качестве абразивной добавки используют пеностекло, имеющее гранулометрический состав 0,35-1,5 мм, водопоглощение по объему - 2-5%, насыпную плотность гранул - 300±50 кг/м³ при следующем соотношении компонентов, мас. % от массы цемента:

По мнению авторов и заявителя такая совокупность признаков патентуемого состава позволяет сделать вывод о его патентоспособности, поскольку нижние и верхние пределы пеностекла отличаются от прототипа и при этом состав обладает хорошими адгезионными свойствами (см. таблицу), превышающими показатель прототипа в 1,5 раза при меньшем содержании инертного наполнителя - пеностекла (7-13%), тогда как у прототипа - 15%, причем он в три раза дешевле импортного, взятого за прототип. Предварительные исследования по патентным источникам показали, что в пределах 7-13% добавки пеностекла не обнаружено. Основные показатели, такие как прочность на изгиб, сжатие, водоотделение, находятся в пределах, указанных в ГОСТ. Эти показатели также приведены в таблице.

В проведенных в лабораторных условиях экспериментах были использованы:

- тампонажный портландцемент ПЦТ II-50 по ГОСТ 1581-96 производства ОАО «Сухоложскцемент»;

- гранулированное пеностекло - это искусственный неорганический легкий пористый материал минерального происхождения в форме правильных шариков светло-серого цвета, изготавливаемый из тонкомолотой смеси стеклобоя и газообразователя путем вспенивания (производство ООО «П-Д Татнефть-Алабуга-Стекловолокно», г. Елабуга), имеющий следующие характеристики:

- гранулометрический состав - (0,35-1,5) мм;

- насыпная плотность гранул - 300±50 кг/м³;

- прочность на сжатие - не менее 1,1 МПа;

- коэффициент теплопроводности - не более 0,08 Вт/м⋅К;

- водопоглощение по объему - (2-5) %;

- понизитель водоотдачи Mowiol 5-88® - поливиниловые спирты с различной степенью полимеризации и гидролиза, используемые в цементном растворе для снижения показателя фильтрации тампонажного раствора и увеличения адгезии цементного камня (производитель Kuraray Co., Ltd., Япония);

- пеногаситель Пента 465 - 60% - высококонцентрированный продукт. Универсальный пеногаситель рекомендуется к применению в водных средах с высоким содержанием пенообразующих и пеностабилизирующих веществ. Продукт используется в различных отраслях промышленности, в том числе в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей отраслях, при производстве жидких моющих средств и чистящих паст, в текстильной и лакокрасочной промышленности, при производстве агрохимикатов (фирма ООО «ПЕНТА-91»);

- вода по ГОСТ Р 51232-98 - водопроводная.

Также могут быть использованы понизители водоотдачи и пеногасители следующих марок:

- Diacel FL - нейтральный (т.е. не замедляющий схватывание) понизитель водоотдачи цементных растворов, растворимый в воде, плотность - 1,6 г/см³ (фирма Chevron Phillips);

- WellFix FL II - синтетический полимер на основе акриловой кислоты. Предназначен в качестве добавки для снижения водоотдачи цементных растворов при цементировании нефтяных и газовых скважин. «WellFix FL II» является универсальным понизителем водоотдачи тампонажных растворов. Цементные растворы с добавлением «WellFix FL II» имеют хорошие реологические характеристики. При использовании понизителя водоотдачи «WellFix FL II» добавление дисперсантов не требуется (фирма ООО «Химпром»);

- Diacel ATF представляет собой прозрачный жидкий пеногаситель - реагент для цементных растворов, он смешивается с водой в любых соотношениях (фирма Chevron Phillips);

- WellFix Def 1 представляет собой кремнеорганический полимер, нанесенный на твердый носитель. Пеногаситель «WellFix Def 1» предназначен для применения в нефтяной и газовой промышленности в процессах строительства и ремонта скважин в качестве технологической добавки в тампонажные растворы для эффективного устранения объемной и поверхностной пены (фирма ООО «Химпром»);

- Agitan Р 841 - смесь пеногасящих компонентов на кремнии. В некоторых сухих системах проявляется пластифицирующий эффект, что повышает растекание раствора.

Для проведения лабораторных исследований были приготовлены тампонажные растворы с компонентными составами, приведенными в таблице.

Определение основных свойств тампонажного раствора и камня производили при температуре 20±2 С° и атмосферном давлении в соответствии с ГОСТ 26798.1-96 "Цементы тампонажные. Методы испытаний", а также при давлении 25 МПа и температуре 30°С с моделированием скважинных условий.

Тампонажный раствор готовят следующим образом.

Водный раствор готовят путем растворения в отстоянной водопроводной воде необходимого количества химических реагентов в течение 5 мин. Далее в него добавляют заранее приготовленную смесь тампонажного портландцемента с гранулами пеностекла и полученный раствор перемешивают в течение 30 мин при помощи мешалки с верхним приводом со скоростью 500-700 об/мин (с целью предотвращения разрушения гранул пеностекла).

Приготовление и применение тампонажного раствора не требуют дополнительных затрат, а технология цементирования не отличается от общепринятой.

Пример. Для приготовления тампонажного раствора взяли 500 г отстоянной водопроводной воды, добавили 5 г Mowiol 5-88® (Diacel FL, WellFix FL II) и 0,5 г Пента 465 (Diacel ATF, WellFix Def 1) и перемешивали до полного растворения реагентов в воде.

Затем сухую смесь из 1000 г портландцемента и 100 г пеностекла затворяли на приготовленном водном растворе и перемешивали до получения однородного тампонажного раствора (опыт №4, см. таблицу).

Приготовление тампонажного раствора производили согласно ГОСТ 26798.0- 96. Растекаемость тампонажного раствора определяли по ГОСТ 26798.1- 96. Пределы прочности цементного камня определяли по ГОСТ 26798.2- 96. Адгезию цементного камня с колонной определяли в соответствии с методикой, приведенной в работе (B.C. Данюшевский, P.M. Алиев, И.Ф. Толстых. Справочное руководство по тампонажным материалам. - М.: Недра, 1987. - С. 350-353).

Анализ данных показывает, что известный тампонажный раствор (опыты 8, 9, см. таблицу) при водосмесевом отношении 0,495 имеет недостаточную адгезию.

Полученный из смеси тампонажный раствор при водосмесевом отношении 0,55 имеет показатели плотности от 1583 до 1681 кг/м³, при затвердевании цементного камня в условиях низких и нормальных температур в течение 2 сут.

Средняя прочность по результатам 7 опытов (опыты 1-7) составила: на изгиб - 3,91 МПа, на сжатие - 11,13 МПа, что соответствует нормативным показателям. Растекаемость - в пределах ГОСТ (240-250 мм) (опыты 1-7).

Средняя прочность цементного камня на сжатие при затвердевании на ультразвуковом анализаторе цемента через 48 ч, при давлении 25 МПа и температуре 30°С составила от 17,58 МПа.

Адгезия через 24 ч при давлении 25 МПа и температуре 30°С достигает 32 кН, тогда как у прототипа 22 кН, что превышает показатели прототипа в 1,5 раза.

Как видно из результатов лабораторных исследований, предлагаемый состав по сравнению с прототипом при меньшем содержании инертного наполнителя добавки обладает явным преимуществом по показателю адгезии, что позволяет улучшить качество цементирования.

Технико-экономическое преимущество предложения заключается в следующем.

Предлагаемый состав позволяет расширить технологические возможности применения тампонажного состава за счет расширения диапазона плотностей, обеспечить улучшение качества крепления скважин, сохранение сплошности хорошо изолирующего цементного камня в кольцевом пространстве по всему интервалу цементирования за счет оптимальной растекаемости и высокой прочности сцепления цементного камня с обсадной колонной, снижение затрат при строительстве скважин за счет менее жестких условий подготовки ствола скважины, сокращения времени ожидания затвердевания цемента, создание крепи, стойкой к кислотным обработкам призабойной зоны скважины за счет инертного наполнителя - пеностекла, подъем тампонажного раствора при цементировании скважин в одну ступень.

Используемые в составе реагенты доступны для приготовления тампонажного раствора, при этом входящее в состав пеностекло отечественного производства дешевле в 3,1 раза, чем инертный наполнитель по прототипу, который является зарубежным аналогом.