Пеноцементный тампонажный материал

Изобретение относится к области строительства и ремонта нефтегазовых скважин, а именно к вспененным тампонажным материалам, применяемым при креплении обсадных колонн.

Известна композиция для приготовления аэрированного тампонажного раствора (патент РФ 2320694), содержащая, мас. ч.: портландцемент - 100,0; воду - 48,0-50,0; хлорид кальция - 2,0; пенообразователь Газблок-М - 0,5-1,0; реагент НМН-200 - 0,1-0,5; воздух или нейтральный газ - 0,01-0,1. Недостатками известного раствора являются высокие значения показателя фильтрации и водоотделения.

Наиболее близким к предлагаемому пеноцементному тампонажному материалу по технической сущности является аэрированный тампонажный раствор (патент РФ 2176308), содержащий, мас. ч.: цемент - 97,0-99,0; аппретированные стеклянные микросферы - 1,0-3,0; поверхностно-активное вещество (ПАВ) - 0,5-0,7; Сульфацелл - 0,3-0,4; хлорид кальция - 3,5-4,0; воду - 50,0.

Недостатками указанного известного аэрированного тампонажного материала являются: высокие реологические показатели, низкая растекаемость, высокий показатель фильтрации и низкая прочность, кроме того материал обладает недостаточно высокой стабильностью.

Использование тампонажных материалов с высокими фильтрационными и реологическими показателями может привести к превышению технологически допустимого давления во время их закачки в кольцевое пространство, и, следовательно, к их поглощению и к неподъему на проектную глубину.

Аэрация тампонажных растворов с низкой растекаемостью сопровождается неравномерным распределением газовой фазы, что может привести к формированию цементной оболочки с высокой проницаемостью и низкими изоляционными свойствами.

Высокое значение водоотделения является признаком низкой седиментационной устойчивости как базового, так и вспененного цементного раствора. Использование седиментационно-неустойчивых тампонажных растворов приводит к формированию за обсадной колонной цементного камня, разделенного водными поясами, вследствие чего снижается качество разобщения пластов и повышается вероятность возникновения заколонных перетоков.

Технический результат, достигаемый предлагаемым изобретением, заключается в снижении реологических и фильтрационных свойств тампонажного раствора, а также в повышении его растекаемости и стабильности, при одновременном повышении прочности образующегося тампонажного камня.

Указанный технический результат достигается предлагаемым пеноцементным тампонажным материалом, включающим портландцемент, ускоритель схватывания - водорастворимые соли кальция, гидроксиэтилцеллюлозу, пенообразующее поверхностно-активное вещество ПАВ - оксиэтилированные жирные спирты, добавку и воду, при этом новым является то, что в качестве добавки материал содержит адгезионную добавку - латекс редиспергируемый, и понизитель водоотдачи - водорастворимый полимер на основе 2-акрил-2-метилпропан сульфокислоты, а в качестве ПАВ - оксиэтилированные жирные спирты со степенью оксиэтилирования 6-12 и числом метиленовых групп 10-20, при следующем соотношении компонентов, мас. ч:

В качестве водорастворимых солей кальция он содержит хлорид кальция, или нитрат кальция, или формиат кальция.

В качестве латекса редиспергируемого он содержит реагент Vinnapas 5043N, или реагент PFG, или реагент DAIREN DA-1420.

В качестве пенообразующего ПАВ он содержит OXETAL 800/85, или Genapol Т 080, или реагент ИН-ПАВ-04, или их аналоги.

В качестве понизителя водоотдачи он содержит реагент Hallad 344, или реагент FL-1, или реагент ST-3, или их аналоги.

В качестве гидроксиэтилцеллюлозы он содержит Реагент ЦЕЛСТРАКТ марки В, или реагент Natrosol 250 HHBR, или реагент Гидроцем С, или их аналоги.

Тампонажный материал дополнительно содержит газообразный агент - инертный газ, в количестве, обеспечивающем плотность аэрированного пеноцементного тампонажного материала 900-1500 кг/м³.

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

Приведенный технический результат достигается за счет следующего.

Введение в заявляемый материал пенообразователя оксиэтилированного спирта со степенью оксиэтилирования 6-12 и числом метиленовых групп 10-20 в комплексе с гидроксиэтилцеллюлозой, предложенным понизителем водоотдачи и редиспергируемым латексом способствует формированию высокостабильной пенной системы.

Указанный пенообразователь обладает достаточно высокой пенообразующей способностью в цементных растворах, независимо от состава и концентрации солей-ускорителей, при этом, практически не оказывая влияние на прочностные характеристики образующегося цементного камня.

Указанный понизитель водоотдачи является наиболее эффективным понизителем фильтрации, при этом слабо загущает цементный раствор и толерантен к электролитам.

Благодаря использованию в материале редиспергируемого латекса улучшается сцепление цемента с колонной и породой, увеличивается прочность на растяжение и изгиб, пластичность материала, а также повышается тиксотропия и водоудерживающая способность.

Использование в составе гидроксиэтилцеллюлозы позволяет повысить вязкость жидкой фазы, увеличивая тем самым стабильность пены, а также снизить водоотдачу и повысить седиментационную устойчивость тампонажного материала.

Пенообразующая способность предлагаемого пеноцементного тампонажного материала с гидроксиэтилцеллюлозой и редиспергируемым латексом выше, чем при их отсутствии.

Использование в качестве ускорителя схватывания водорастворимых солей кальция: нитрата, формиата или хлорида кальция, позволяет регулировать сроки схватывания тампонажного материала в широком диапазоне значений. Кроме того, безхлоридные соли (нитрат и формиат кальция) не вызывают коррозии металла обсадной колонны.

Плотность пеноцементного тампонажного материала в диапазоне 900-1500 кг/м³ является достаточной для создания гидростатического равновесия скважина - пласт в условиях большинства месторождений России.

Для получения заявляемого пеноцементного тампонажного материала использовали следующие реагенты:

Возможность осуществления заявляемого изобретения подтверждается следующим примером.

Для приготовления предлагаемого материала (без учета газообразного агента) вначале готовили жидкость затворения: брали 480,0 г воды и при постоянном перемешивании в смесительной установке добавляли 20,0 г хлорида кальция, перемешивали в течение 10 минут. Далее при постоянном перемешивании вводили в жидкость затворения заранее приготовленную сухую смесь, состоящую из портландцемента ПЦТ-I-G-CC-1 - 1000,0 г; понизителя водоотдачи - реагента FL-1 - 4,0 г; гидроксиэтилцеллюлозы - реагента Natrosol HHBR - 1,0 г; редиспергируемого латекса - реагента Vinnapas 5043N - 10 г, и смесь перемешивали в течение 45 минут. В полученный состав добавляли оксиэтилированный жирный спирт - реагент OXETAL 800/85 - 5,0 г, перемешивали в течение 15 минут при 100 оборотах в минуту для получения пеноцементного материала без газообразного агента, либо при 400 оборотах для получения пеноцементного тампонажного материала с газообразным агентом (воздухом).

В результате получили пеноцементный тампонажный материал со следующим соотношением компонентов, мас. ч.: портландцемент тампонажный - 100,0; вода - 48,0; ускоритель схватывания - 2,0; гидроксиэтилцеллюлоза - 0,1; понизитель водоотдачи - 0,4; редиспергируемый латекс - 1,0; пенообразователь - 0,5.

Пеноцементные тампонажные материалы с другим количественным соотношением компонентов готовили аналогичным образом.

В таблице 1 приведены данные о содержании компонентов в исследованных составах (без учета газообразного агента).

По общеизвестным методикам определяли технологические свойства предлагаемого и известного тампонажного раствора, а также физико-механические свойства образующегося из него тампонажного камня (таблица 2 - пеноцементный материал без учета газообразного агента, таблица 3 - пеноцементный материал с учетом газообразного агента).

Сравнительная оценка некоторых параметров пеноцементных материалов проводится на основании сравнения соответствующих характеристик пеноцементных материалов без учета газообразного агента (например, чем ниже растекаемость пеноцементного материала без газообразного агента, тем ниже растекаемость пеноцементного материала с газообразным агентом, при прочих равных условиях). Для сравнения были взяты образцы прототипа и разработанного тампонажного материала с максимально схожим составом: составы 1 и 4 (таблица 1).

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.

Из данных, приведенных в таблице 2, следует, что пластическая вязкость и динамическое напряжение сдвига предлагаемого материала заявленного состава без газообразного агента значительно ниже аналогичных показателей прототипа.

Пластическая вязкость предлагаемого состава составляет 167 мПа⋅с (образец 1), прототипа - 165 мПа⋅с (образец 4). Динамическое напряжение сдвига предлагаемого состава 98 дПа, прототипа - 888 дПа.

Следовательно, и реологические характеристики вспененного материала предлагаемого состава лучше.

Оценка фильтрационных характеристик пеноцементного материала предлагаемого состава также проводилась на основании показателей цементных растворов без газообразного агента: водоотдача предлагаемого материала значительно ниже.

Водоотдача прототипа выше в 12,4 раза (предлагаемый материал (образец 1) - 20 мл, прототип (образец 4) - 247 мл).

Таким образом, область применения пеноцементного материала заявленного состава значительно шире (по сравнению с прототипом), так как предлагаемый материал может быть использован при больших глубинах, меньших кольцевых зазорах, меньших пластовых давлениях и меньших давлениях гидроразрыва горных пород.

Сравнение прочностных характеристик проводилось на вспененных образцах. Для сравнения были взяты образцы с максимально схожим составом и равной плотностью как пеноцементного материала без газообразного агента, так и пеноцементного материала с учетом газообразного агента (образцы 1 и 4 таблица 1). Анализ показал, что прочность на сжатие и прочность на изгиб пеноцементного материала заявленного состава значительно выше. Прочность на сжатие выше в 1,3 раза (предлагаемый состав (образец 1) - 4,7 МПа, прототип (образец 4) - 3,7 МПа). Прочность на изгиб выше в 1,6 раза (предлагаемый состав (образец 1) - 1,9 МПа, прототип (образец 4) - 1,2 МПа).

Из вышесказанного следует, что стабильность, растекаемость, реологические, фильтрационные и прочностные характеристики предлагаемого материала значительно лучше свойств известных тампонажных материалов. Указанные преимущества позволяют получить более прочный и долговечный контакт пеноцемента с горной породой и обсадной колонной во всем интервале цементирования.