Результат интеллектуальной деятельности: Быстросхватывающийся аэрированный тампонажный материал для установки мостов в надпродуктивных интервалах

Изобретение относится к области строительства и ремонта нефтегазовых скважин, а именно, к тампонажным материалам, применяемым для установки герметичных мостов в условиях надпродуктивных.

Известен кислоторастворимый облегченный тампонажный материал для ликвидации поглощений в продуктивных пластах (патент РФ 2575489), содержащий каустический магнезит; облегчающую добавку - микросферы; водосвязывающую добавку; карбонатный наполнитель мраморную крошку; волокнистый наполнитель; бишофит и воду, при этом суммарное содержание каустического магнезита, облегчающей добавки и мраморной крошки составляет 100 мас. ч., а бишофит содержится в виде водного раствора плотностью 1,18-1,3 г/см³.

Известен композиционный состав тампонажной смеси для цементирования колонн в буровых скважинах (патент РФ 2286374), содержащий шлам-отход отход производства магния, магнезит каустический, суперфосфат двойной, крахмальный реагент, триполифосфат натрия, вода.

Недостатками известных составов являются низкая растекаемость, растянутые сроками начала и конца схватывания, невысокая адгезия, низкая прочность получаемого цементного камня. Кроме того, присутствие в одном из известных составов шлама производства магния при неосторожном с ним обращении может привести к возникновению термических ожогов кожи и слизистых оболочек у обслуживающего персонала.

Наиболее близким к предлагаемому тампонажному материалу для установки мостов, преимущественно, в надпродуктивных интервалах по технической сущности является тампонажный материал и способ его приготовления (патент РФ 2295554).

Недостатками известного тампонажного материала являются высокие реологические показатели, длительные сроки схватывания и время загустевания материала, а также невысокая прочность, чему способствует плохая гомогенизация компонентов.

Длинные сроки начала и конца схватывания и твердения не обеспечивают формирования прочной и надежной кристаллической решетки материала в скважинах, осложненных поглощениями или проявлениями агрессивных напорных пластовых вод. Это не позволяет сформировать надежный изоляционный экран в приствольной зоне.

Невысокая адгезия тампонажного материала к породе приводит к преждевременному вываливанию тампонажного состава в ствол скважины, что характеризует низкую проникающую способность.

Низкая прочность материала препятствует формированию непроницаемого и неразмываемого экрана при больших значениях раскрытости трещин ≈1 мм, что ограничивает область его применения только низкоинтенсивными поглощениями.

По указанным причинам эксплуатационные характеристики известных тампонажных материалов (прототипа и аналогов) не соответствуют необходимым требованиям к тампонажным материалам.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в придании коротких сроков схватывания и твердения аэрированного тампонажного материала с обеспечением технологических свойств прокачиваемости при одновременном повышении предела прочности на сжатие и обеспечении требуемых прочностно-адгезионных показателей тампонажного камня в условиях надпродуктивных интервалов и возможности регулировать плотность аэрированного тампонажного материала в зависимости от условий в скважине.

Указанный технический результат достигается предлагаемым быстросхватывающимся аэрированным тампонажным материалом для установки мостов в надпродуктивных интервалах, включающим каустический магнезит, регулятор стабильности и устойчивости, бишофит, воду и регулятор схватывания и твердения - добавку на основе органофосфатов, при этом новым является то, что материал дополнительно содержит пенообразующее неионогенное поверхностно-активное вещество НПАВ в виде оксиэтилированных жирных спиртов со степенью оксиэтилирования 6-10 и числом метиленовых групп 12-18, волокнистый наполнитель и инертный газ, в количестве, обеспечивающем плотность аэрированного тампонажного материала 700-1200 кг/м³, при этом в качестве регулятора стабильности и устойчивости материал содержит гидроксиэтилцеллюлозу или сополимер винилацетата и этилена, при следующем соотношении компонентов, мас. ч:

каустический магнезит - 100

указанный волокнистый наполнитель - 0,01-0,3

указанный регулятор стабильности и устойчивости - 0,18-0,52

указанный регулятор схватывания и твердения - 0,3-1,0

указанное НПАВ - 0,4-1,0

бишофит - 16-32

вода - 80-100

при этом бишофит содержится в виде водного раствора плотностью 1,15-1,22 г/см³.

В качестве волокнистого наполнителя он содержит полиамидное, или полипропиленовое или полиакриловое волокно.

Достижение указанного технического результата обеспечивается за счет определенного подбора компонентов (качественного и количественного) в заявляемом аэрированном тампонажном материале, т.е. этот результат обусловлен синергетическим эффектом от взаимодействия различных компонентов.

Приведенный технический результат достигается за счет следующего. Введение в заявляемый состав указанного НПАВ с заявляемыми характеристиками - степенью оксиэтилирования 6-10 и числом метиленовых групп 12-18, в комплексе с заявляемым регулятором стабильности и устойчивости способствует формированию гомогенной и высокостабильной системы.

Указанный НПАВ обладает достаточно высокой способностью к аэрации в тампонажных растворах в присутствии соли-ускорителя (бишофита) с предлагаемой плотностью раствора 1,15-1,22 г/см³, при этом практически не оказывая влияние на прочностные характеристики цементного камня, характеризуется очень высокой скоростью растворения, не образует сгустков, незначительно разжижает тампонажный материал.

Использование в качестве НПАВ оксиэтилированных спиртов другого состава не обеспечивает достижение заявленного технического результата (таблица 1 и 2 опыты 7-8).

Использование в материале гидроксиэтилцеллюлозы или сополимера винилацетата и этилена позволяет повысить вязкость жидкой фазы, увеличивая тем самым стабильность пены, а также снизить водоотдачу и повысить седиментационную устойчивость тампонажного материала в условиях низких положительных и нормальных температур.

Введение в предлагаемый тампонажный материал волокнистого наполнителя способствует повышению предела прочности при изгибе и устойчивости к циклическим нагрузкам, возникающим при спускоподъемных операциях и запусках циркуляции бурового раствора, без ухудшения разбуриваемости образующегося тампонажного камня. Тем самым достигается цель создания прочного изоляционного экрана в призабойной зоне поглощающего пласта без риска забуривания второго ствола при разбуривании образующегося тампонажного камня. В сочетании с регулятором стабильности и устойчивости ввод волокнистого наполнителя позволяет повысить устойчивость к размыву аэрированного тампонажного материала до начала его затвердевания.

Введение добавки на основе органофосфонатов, например, нитрилотриметилфосфоновой кислоты (НТФ), или оксиэтилидендифосфоновой кислоты (ОЭДФ), или их производных, в указанных количествах, позволяет поддерживать время загустевания аэрированного тампонажного материала в необходимом диапазоне значений. Увеличение, в зависимости от температуры внутри скважины, содержания указанных добавок оказывает линейное влияние на сроки схватывания и загустевания, то есть при увеличении содержания сроки схватывания и загустевания увеличиваются пропорционально и имеют линейную зависимость.

Благодаря тому, что в предлагаемом материале использован каустический магнезит, обеспечивается следующее:

- состав на основе магнезиального вяжущего имеет более высокие показатели сцепления (адгезии) при прочих равных по сравнению с портландцементами;

- камень из каустического магнезита имеет (в короткие сроки) прочность гораздо выше камня, полученного из портландцементов.

- аэрированный тампонажный материал на основе каустического магнезита имеет короткие, а что еще важнее, хорошо контролируемые сроки схватывания.

Использование бишофита в виде водного раствора плотностью 1,15-1,22 г/см³ обусловлено тем, что минимальные сроки схватывания тампонажного материала обеспечивается при плотности 1,15 г/см³, максимальные сроки схватывания достигаются при плотности бишофита 1,22 г/см³. При использовании водного раствора бишофита плотностью менее 1,15 г/см³ не обеспечивается минимальная (достаточная) прочность цементного камня. Использование именно водного раствора обусловлено тем, что бишофит является гигроскопичным и при добавлении его в сухую смесь приведет к комкованию сухой смеси.

Требуется пояснить, что для получения водного раствора бишофита плотностью 1,15 г/см³ растворяют 200 г бишофита на 1 л воды, а для раствора бишофита плотностью 1,22 г/см³ необходимо 300 г/л.

Плотность аэрированного тампонажного материала в диапазоне 700-1200 кг/м³ является достаточной для создания гидростатического равновесия скважина - пласт в условиях большинства месторождений России.

Количественное соотношение компонентов в предлагаемом аэрированном тампонажном материале установлено экспериментальным путем.

Предлагаемый материал был испытан в лабораторных условиях. Для его приготовления в лабораторных условиях были использованы следующие вещества:

Возможность осуществления заявляемого изобретения подтверждается следующим примером.

Пример 1. Для приготовления 1 л аэрированного тампонажного материала брали лабораторный стакан V=1,5 л и наливали 625 г воды при температуре 22±2°С и при постоянном перемешивании при 1500 об/мин на верхнеприводной мешалке (например, модель RZR 2021) добавляли 125 г бишофита (достигая плотности раствора бишофита 1,15), перемешивали в течение 10 минут до полного растворения. Далее при постоянном перемешивании вводили заранее приготовленную сухую смесь, состоящую из 750 г каустического магнезита реагента ИНКВИК; 1,5 г регулятора стабильности и устойчивости реагента ЦЕЛСТРАКТ марки Н (гидроксиэтилцеллюлоза); 1,5 г волокнистого наполнителя реагента Инклин и 7,5 г регулятора схватывания и твердения Ретин м.О. Все материалы для приготовления сухой смеси хранились при постоянной температуре Т=28±2°С и влажности W≤50%. Сухая смесь готовилась перемешиванием вручную до равномерного распределения компонентов по всему объему смеси в течение 2-3 минут.

При затворении приготовленной сухой смеси в указанный раствор бишофита производили перемешивание на верхнеприводной мешалке в течение 15 минут с использованием лопастной насадки площадью около 25 см² с постоянной скоростью 300 об/мин. Далее в полученный состав добавляли реагент ИН-ПАВ-04 - 7,5 г, перемешивали в течение 15 минут при 100 оборотах в минуту с использованием лопастной насадки площадью около 25 см² и определяли параметры полученного аэрированного тампонажного раствора (без газового агента):

Плотность

Растекаемость

Время загустевания

Начало схватывания

Конец схватывания

Предел прочности на сжатие

Водоотделение

Водоотдача

Адгезия

Получение аэрированного тампонажного материала с газовым агентом происходило путем увеличения интенсивности перемешивания до 450-500 об/мин в течении 25 мин одновременно с вовлечением инертного газа. В результате определяли параметры:

Плотность

Растекаемость

Конец схватывания

Предел прочности на сжатие

Водоотделение

Водоотдача

Стабильность

Устойчивость

Адгезия

Технологические свойства предлагаемого и известного тампонажных материалов определяли по общеизвестным методикам, а также физико-механические свойства образующегося из него тампонажного камня (таблица 2 - аэрированный тампонажный материал без учета газообразного агента, таблица 3 - аэрированный тампонажный материал с учетом газообразного агента).

Сравнительная оценка некоторых параметров аэрированного тампонажного материала проводится на основании сравнения соответствующих характеристик аэрированного тампонажного материала без учета газообразного агента (например, чем ниже растекаемость аэрированного тампонажного материала без газообразного агента, тем ниже растекаемость аэрированного тампонажного материала с газообразным агентом, при прочих равных условиях). Для сравнения были взяты образцы прототипа и разработанного тампонажного материала с максимально схожим составом: составы 5 и 9.

Определение сроков начала схватывания аэрированного тампонажного материала проводили иглой Вика. Для этого использовали аэрированный тампонажный материал, приготовленный по вышеописанной методике, но при перемешивании со скоростью 100 об/мин, то есть до стадии активного вовлечения инертного газа при 450-500 об/мин. Причиной такого решения послужил тот факт, что аэрированный тампонажный материала с газовым агентом пронизан пузырьками воздуха, суммарный объем которых обычно превышает 50% объема аэрированного тампонажного материала без газового агента. В таких условиях уже схватившийся, но не набравший достаточную прочность, тампонажный материал протыкается иглой Вика, ведь большая его часть попросту не оказывает сопротивления.

В таблице 1 приведены данные о содержании компонентов в исследованных материалах. В таблице 2 приведены свойства аэрированного тампонажного материала.

Из данных, приведенных в таблице 2, следует, что предел прочности при сжатии заявленного аэрированного тампонажного материала выше на 80%, по сравнению с аналогичным параметром прототипа при одинаковых условиях (образец 9)

Известно, что применение тампонажных материалов с высокими реологическими и фильтрационными характеристиками может привести к превышению технологически допустимого давления во время их закачки в кольцевое пространство.

Время загустевания заявленного аэрированного тампонажного материала регулируется концентрацией регулятора схватывания и твердения и подбирается, исходя из требуемого времени прокачиваемое™ для конкретной скважины при определенных горно-геологических условий. При этом время загустевания прототипа может быть изменено только увеличением концентрации воды или уменьшением концентрации цемента, что неизбежно приведет к уменьшению прочности и к снижению устойчивости к размыву. Добиться приемлемого времени загустевания 4-5 часов для материала по прототипу без существенного ухудшения других показателей не удается.

Сравнение показателей водоотдачи также показывает, что водоотдача прототипа фактически является не контролируемой, в то время как водоотдача заявляемого аэрированного тампонажного материала может регулироваться в диапазоне 20-60 мл. Высокая водоотдача является следствием отсутствия водосвязывающих добавок и косвенно характеризует седиментационную неустойчивость состава. Состав по прототипу характеризуется высокой стабильность только при низком содержании воды и, следовательно, низкой подвижности состава. При увеличении содержания воды наблюдается расслоение состава, т.е. его неустойчивость.

Заявленное количественное соотношение компонентов в предлагаемом аэрированном тампонажном материале является оптимальным, при котором проявляются все указанные положительные свойства.

Например, при добавлении органфосфатов ниже заявляемого предела - не обеспечивается необходимое время прокачиваемости, более заявляемого предела - увеличиваются водоотделение и схватывание материала не происходит.

Добавление гидроксиэтилцеллюлозы ниже заявляемого предела приводит к расслоению материала, более заявляемого предела - происходит загущение тампонажного материала до состояния, не пригодного для прокачивания насосами.

Введение в материал волокнистого наполнителя ниже заявленного приводит к снижению прочности на сжатие, а избыток волокна снижает адгезионные свойства заявляемого материала и влияет на растекаемость и время загустевания.

Введение НПАВ в недостаточном количестве не обеспечивает технологически требуемой плотности аэрированного тампонажного материала в соответсвии со скважинными условиями, а также снижается плотность контакта между аэрированным тампонажным материалом и породой, при этом избыток приводит к снижению прочности получаемого тампонажного камня.

Таким образом, заявляемый тампонажный материал по сравнению с прототипом характеризуется высокой стабильностью, низкой водоотдачей, приемлемой (для изоляционных работ) реологией. При этом образующийся при твердении тампонажный камень характеризуется высокими показателями прочности и сцепления с породой, а также устойчивостью к размыву.