Патент на изобретение №2259467

(54) ОСНОВА УТЯЖЕЛЕННОГО ТАМПОНАЖНОГО РАСТВОРА, ПРИМЕНЯЕМОГО ПРЕИМУЩЕСТВЕННО В ТРЕЩИНОВАТЫХ КАРБОНАТНЫХ КОЛЛЕКТОРАХ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области строительства скважин. Технический результат заключается в повышении качества тампонажного раствора и формируемого из него камня за счет придания раствору показателя фильтрации на уровне фильтрации буровых растворов, полного исключения в нем суффозионных процессов, придания структурно-реологических показателей, обеспечивающих высокую подвижность раствора в момент закачки его в скважину и быстрый набор структурно-реологических свойств в состоянии покоя в момент установки тампонажного раствора в интервал цементирования, сокращения периода времени между “зависанием” раствора и его схватыванием, при одновременном обеспечении устойчивости цементного камня к ударным нагрузкам и трещиноватости. Основа утяжеленного тампонажного раствора, применяемого в основном в трещиноватых карбонатных коллекторах, содержащая базовую смесь из тампонажного портландцемента с утяжелителем и регуляторы технологических свойств, дополнительно содержит кольматирующую добавку, фракционный состав которой выбран в соответствии с критерием Абрамса для зоны аномально высокого пластового давления, а в качестве утяжелителя основа содержит барит, или гематит, или магнетит, или ильменит, или железорудный концентрат, или их смесь, при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: базовая смесь, состоящая из тампонажного портландцемента 35-70 и указанного утяжелителя 30-65; указанная кольматирующая добавка 1,0-20,0 от базовой смеси; регуляторы технологических свойств 0,1-20,0 от базовой смеси. В качестве кольматирующей добавки указанная основа может содержать хризотил-асбест, вермикулит или стекловолокно, в качестве регулятора технологических свойств – водоудерживающую добавку в количестве 0,1-1% от массы базовой смеси или пластифицирующую добавку в количестве 0,1-1% от массы базовой смеси, или пеногаситель в количестве 0,1-0,2% от массы базовой смеси, или ускоритель сроков схватывания в количестве 0,1-5,0% от массы базовой смеси, или замедлитель сроков схватывания в количестве 10-20% от массы базовой смеси или расширяющую добавку в количестве 0,1-18% от массы базовой смеси. 7 з.п. ф-лы, 4 табл.

Изобретение относится к области строительства скважин, в частности к тампонажным растворам, используемым при цементировании обсадных колонн нефтяных и газовых скважин в интервале аномально высоких пластовых давлений и температур.

Из уровня техники известны ряд основ для тампонажного раствора, например основа, содержащая тампонажный портландцемент, утяжелитель-барит и золу-унос ГРЭС (Патент РФ №2161695, Кл. Е 21В 33/138 от 1998 г.), или основа, содержащая тампонажный портландцемент, утяжелитель – железнорудный концентрат и стабилизатор ацетально-спиртовой (Патент РФ №2169252, Кл. Е 21В 33/138, от 1999 г.). Недостатком указанных основ является то, что они имеют высокую фильтрацию и короткое время загустевания, не позволяющее гарантировать безаварийность процесса закачки в скважину цемента, приготовленного на указанной основе.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности является основа для тампонажного раствора, содержащая базовую смесь из тампонажного портландцемента с утяжелителем – Макбаром, и регуляторы технологических свойств, при следующем их соотношении, мас.%:

(Патент РФ №2194844, Кл. Е 21 В 33/138 от 2001 г.).

Недостатком известной основы является то, что:

– утяжеленный тампонажный раствор на этой известной основе является недостаточно эффективным при изоляции трещиноватых карбонатных коллекторов вследствие его низкой кольматирующей способности;

– утяжеленный тампонажный раствор на этой основе обладает низкой растекаемостью, что не может обеспечить его хорошую прокачиваемость;

– его показатель фильтрации в условиях умеренных и повышенных температур недостаточно низок и сопоставим в этих условиях с показателем фильтрации чистого цемента, который составляет 600 см³ при Р=0,7 МПа, что не обеспечит успешного цементирования;

– в тампонажном растворе, приготовленном на этой основе, присутствуют суффозионные процессы, что может привести к фазовому расслоению тампонажного состав;

– реагенты для регулирования свойств, входящие в состав известной основы, не являются температуростабильными, поэтому не могут обеспечить снижения фильтрации тампонажного раствора в условиях умеренных и повышенных температур;

– добавки, входящие в состав основы, вызывают вспенивание цементного раствора при затворении, что снижает истинную плотность тампонажного раствора и вызывает сложности при его откачке.

Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в повышении качества тампонажного раствора, приготовленного на заявляемой основе, и формируемого из него камня, за счет придания раствору показателя фильтрации на уровне фильтрации буровых растворов, полного исключения в нем суффозионных процессов, придания структурно-реологических показателей, обеспечивающих высокую подвижность раствора в момент закачки его в скважину и быстрый набор структурно-реологических свойств в состоянии покоя в момент установки тампонажного раствора в интервал цементирования, сокращения периода времени между «зависанием» раствора и его схватыванием, при одновременном обеспечении устойчивости цементного камня к ударным нагрузкам и трещиноватости.

Указанная техническая задача обеспечивается основой утяжеленного тампонажного раствора, применяемого, преимущественно, в трещиноватых карбонатных коллекторах, содержащей базовую смесь из тампонажного портландцемента с утяжелителем и регуляторы технологических свойств, при этом новым является то, что основа дополнительно содержит кольматирующую добавку, фракционный состав которой выбран в соответствии с критерием Абрамса для зоны аномально высокого пластового давления, а в качестве утяжелителя основа содержит барит, или гематит, или магнетит, или ильменит, или железорудный концентрат, или их смесь, при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

При этом в качестве кольматирующей добавки основа может преимущественно содержать хризотил-асбест, вермикулит или стекловолокно.

В качестве регулятора технологических свойств основа содержит водоудерживающую добавку: оксиэтилцеллюлозу, карбоксиметилцеллюлозу, полианионную целлюлозу, метилцеллюлозу, метилоксиэтилцеллюлозу или латекс в количестве 0,1-1% от массы базовой смеси; в качестве пластифицирующей добавки она содержит лигносульфонаты, нафталин, меламинсодержащие смолы, нитрилотриметилфосфоновую кислоту или полиэфиркарбоксилат в количестве 0,1-1% от базовой смеси; в качестве пеногасителя – модифицированный кремнеорганический реагент или смесь жидких углеводородов и полигликолей на аморфной кремниевой кислоте в количестве 0,1-0,2% от базовой смеси; в качестве ускорителя сроков схватывания она содержит хлорид кальция, хлорид натрия, кремнеорганическую добавку, триэтаноламин, оксихлорид алюминия, аморфную окись алюминия, гипс или глиноземистый цемент в количестве 0,1-5,0% от веса базовой смеси; в качестве замедлителя сроков схватывания она содержит нитрилотриметилфосфоновую кислоту, полиэфиркарбоксилат или модифицированные лигносульфонаты в количестве 10-20% от базовой смеси; в качестве расширяющей добавки она содержит оксид кальция, оксид магния или гипс в количестве 0,1-18% от базовой смеси.

Достижение указанного технического результата обеспечивается благодаря следующему.

За счет ввода в тампонажный состав кольматирующей добавки, фракционный состав которой подбирается в соответствии с критерием Абрамса для зон с аномально высоким пластовым давлением (АВПД), происходит закупоривание трещин, что способствует изоляции пластовых флюидов и предотвращает уход тампонажного раствора в трещины. Условные диаметры частиц твердой фазы, в соответствии с критерием Абрамса, должны изменяться от 1/3 до 1/10 диаметра поровых каналов кольматируемых пород. При этом сначала устанавливают величину поровых каналов и трещин в зоне кольматации и в зависимости от их размера подбирается фракционный состав кольматирующей добавки, размеры частиц которой должны составлять от 1/3 до 1/10 диаметра поровых каналов. Кроме того, как неожиданно оказалось, кольматирующая добавка, не ухудшая технологических свойств тампонажного раствора, улучшает физико-механические свойства тампонажного камня, придавая ему упругие свойства, повышает его устойчивость к растрескиванию под действием ударных нагрузок.

Добавка в заявляемую основу комплекса регуляторов технологических свойств, а именно водоудерживающего и пластифицирующего реагентов, обеспечивает снижение фильтрации тампонажного раствора, приготовленного на предлагаемой основе, до минимальных значений, позволяет исключить водоотделение и при этом сохранить, а возможно даже увеличить подвижность тампонажного раствора. Кроме того, наблюдается синергетический эффект, в результате которого при совместном вводе указанных регуляторов в заявленном соотношении всех компонентов происходит дополнительное снижение фильтрации приготовленных тампонажных растворов вплоть до получения показателей, сопоставимых с фильтрацией буровых растворов.

При приготовлении предлагаемой основы для утяжеленного тампонажного раствора были использованы следующие вещества:

– тампонажный портландцемент ГОСТ 1581-96;

– утяжелители:

– барит ТУ 39-147009-047-90;

– гематит – Fe₂О₃– минерал железных руд, плотность 4,15-4,4 г/см³;

– магнетит – FeO·Fe₂О₃ – минерал железных руд, плотностью 4,2-4,35 г/см³;

– ильменит ТУ 39-035-74;

– железорудный концентрат – железная руда, содержащая в своем составе смесь минералов плотностью 4,1-4,5 г/см³;

– их смесь в соотношении:

– 90% барит:10% ильменит;

– 80% барит:20% железорудный концентрат;

– 80% гематит:20% железорудный концентрат;

– 40% барит:30% гематит:30% железорудный концентрат;

– 50% барит:50% гематит;

– кольматирующая добавка, фракционный состав которой выбран в соответствии с критерием Абрамса для зоны аномально высокого пластового давления:

– хризотил-асбест ТУ 5721-01-0281476-2000

– вермикулит ТУ 125885-67

– стекловолокно рубленое ТУ 5952-05763895-061-98

– регуляторы технологических свойств:

– водоудерживающая добавка:

– оксиэтилцеллюлоза, карбоксиметилцеллюлоза, полианионная целлюлоза, метилцеллюлоза, метилоксиэтилцеллюлоза – полиэфиры целлюлозы с пластической вязкостью 1%-го раствора полимера 30-55 мПа·с – ТУ 2231-009-40912231-2003;

– латекс-анионная водная дисперсия стирол-бутадиенового сополимера с очень мелкими размерами частиц ГОСТ 15080-77;

– пластифицирующая добавка:

– лигносульфонаты – ТУ 84-229-76, ТУ 39-01-08-274-77; ТУ 54-028-002-79580-97

– нафталин, меламинсодержащие смолы – полианионные ПАВ – водоредуцирующая добавка по ГОСТ 24211-91 относится к группе суперпластифицирующих – ТУ 2223-011-40912231-2003;

– полиэфиркарбоксилаты – поликарбоновые эфиры водоредуцирующая добавка по степени пластификации по ГОСТ 24211-91 относится к группе суперпластифицирующих;

– нитрилотриметилфосфоновая кислота – ТУ 6-09-5283-86;

– пеногаситель:

– модифицированный кремнеорганический реагент – ТУ 2228-010-40912231-2003

– смесь жидких углеводородов и полигликолей на аморфной кремниевой кислоте – Агитан Р801, Агитан Р803;

– ускорители сроков схватывания:

– хлорид кальция – ГОСТ 450-79;

– хлорид натрия – ТУ 2152-067-00209527-98

– кремнеорганическая добавка – этилсиликат-конденсат ТУ 6-02-06-67-86, этилсиликат-40 ГОСТ 26371-84;

– триэтаноламин

– оксихлорид алюминия – гамма форма МРТУ 6-09-3200-66

– аморфная окись алюминия – «ЭКСЦЕМ СА» – ТУ 2123-020-53501222-2001

– гипс – ГОСТ 125-79

– глиноземистый цемент – ГОСТ969-77;

– расширяющая добавка:

– оксид кальция – ТУ 6-1819774

– оксид магния – ГОСТ 1216-86.

Предлагаемая основа утяжеленного тампонажного раствора может изготовляться в заводских условиях или путем тщательного перемешивания смеси ингредиентов в специальных установках, предназначенных для изготовления сухих смесей, или путем многократной перетарки смесителей (не менее 3-х раз) в полевых промысловых условиях. Регуляторы технологических свойств в зависимости от конкретных геолого-технических условий могут добавляться в сухую основу, или в жидкость затворения, или в тампонажный раствор через гидроворонку в осреднительную емкость с перемешивающим устройством.

Характеристики приготовленного на заявляемой основе утяжеленного тампонажного раствора на соответствие ГОСТ 1581-96 определялись в соответствии с методами испытаний по ГОСТ 26798.1-96, ГОСТ 26798.2-96. Растекаемость определялась по конусу АзНИИ, плотность – пикнометром, коэффициент водоотделения в мерном цилиндре, сроки схватывания иглой Вика, время загустевания на консистометре КЦ-3, пределы прочности тампонажного камня на изгиб на испытательной машине МИИ-100 и автоматизированном прессе на сжатие фирмы OFITE. Определение характеристик, приготовленных на заявляемой основе тампонажных растворов, для условий умеренных температур производилось при 90°С и атмосферном давлении. Для условий АВПД при температуре 120°С и 60 МПа.

Показатели тампонажных растворов, не регламентируемые ГОСТом, определяются в соответствии с международным стандартом API 10A.

Фильтрация тампонажных растворов определялась на фильтр-прессе фирмы Бароид при нормальных температурах и на фильтр-прессе OFITE при умеренной и повышенной температуре (90 и 120°С) при перепаде давлений 0,7, 3,5, 7,0 МПа. Время загустевания при температуре 90 и 120°С при давлении 60 МПа определялось на консистометре OFITE НТНР. Выдержка цементного камня перед испытанием прочностных характеристик производилась в камере OFITE хранения образцов при 90 и 120°С. Испытание прочностных характеристик производилось на прессе OFITE. Проницаемость тампонажного камня определялась на пермиометре OFITE.

Данные о количественном соотношении ингредиентов в базовой смеси приведены в таблице 1.

Данные о свойствах тампонажных растворов, приготовленных на базовой смеси, приведены в таблице 2.

Данные об ингредиентном составе предлагаемой и известной по прототипу основах, используемых для приготовления тампонажных растворов, приведены в таблице 3.

Данные о свойствах тампонажных растворов, приготовленных на предлагаемой и известной по прототипу основах, представлены в таблице 4.

Данные, приведенные в таблицах 1-4, показывают, что тампонажные растворы, приготовленные на заявляемой основе, имеют следующие преимущества перед тампонажными растворами, приготовленными на известной по прототипу основе:

– даже в сложных термобарических условиях тампонажные растворы, приготовленные на предлагаемой основе, характеризуются показателем фильтрации на уровне фильтрации буровых растворов (5-60 см³, таблица 4), в то время как у известного тампонажного раствора фильтрация в аналогичных термобарических условиях равна 120 см³;

– также они характеризуются даже в сложных термобарических условиях полным исключением суффозионных процессов (водоотстой О мм, таблица 4), в то время как в известном тампонажном растворе они присутствуют и водоотстой составляет 0,25-0,5 мл, что в промысловых условиях не гарантирует качественную изоляцию;

– тампонажный раствор, приготовленный на заявляемой основе, имеет структурно-реологические показатели, обеспечивающие высокую подвижность раствора в момент закачки его в скважину (растекаемость после часа перемешивания 190-260 мм) и быстрый набор структурно-реологических свойств (таблица 4) в состоянии покоя в момент установки тампонажного раствора в интервал цементирования, в то время как прототип в момент затворения имеет растекаемость 180-200 мм, а после часа перемешивания 160-180 мм;

– тампонажный раствор, приготовленный на заявляемой основе, имеет безопасное время загустевания (от 2-10 до 7-25 ч, таблица 4) в условиях АВПД, что позволяет производить безаварийное цементирование как обычных, так и глубоких скважин, в то время как у прототипа это время составляет от 40 мин до 2 ч 55 мин, что не может гарантировать безаварийности процесса цементирования в условиях АВПД;

– тампонажный раствор, приготовленный на заявляемой основе, характеризуется малым периодом времени между «зависанием» раствора и его схватыванием (не более 1 часа), в то время как у известного тампонажного раствора этот период времени составляет 2 и более часов;

– образующийся из тампонажного раствора, приготовленного на заявляемой основе, цементный камень является устойчивым как к трещиноватости, так и к ударным нагрузкам, так как за счет введения в основу кольматирующей добавки прочность цемента на сжатие увеличивается, в то время как цементный камень, образующийся из известного тампонажного раствора, имеет меньшую прочность на сжатие на 15 – 258% (таблица 4).

Благодаря указанным преимуществам тампонажный раствор, приготовленный на заявляемой основе, позволяет более качественно проводить цементаж и изоляционные работы, особенно в условиях трещиноватых карбонатных коллекторов.

Формула изобретения

1. Основа утяжеленного тампонажного раствора, применяемого преимущественно в трещиноватых карбонатных коллекторах, содержащая базовую смесь из тампонажного портландцемента с утяжелителем и регуляторы технологических свойств, отличающаяся тем, что основа дополнительно содержит кольматирующую добавку, фракционный состав которой выбран в соответствии с критерием Абрамса для зоны аномально высокого пластового давления, а в качестве утяжелителя основа содержит барит, или гематит, или магнетит, или ильменит, или железорудный концентрат, или их смесь, при следующем соотношении ингредиентов: базовая смесь, состоящая из: тампонажного портландцемента 35-70 мас.%, указанного утяжелителя 30-65 мас.%, кольматирующая добавка, фракционный состав которой выбран в соответствии с критерием Абрамса для зоны аномально высокого пластового давления 1,0-20,0 мас.%

от базовой смеси, регуляторы технологических свойств 0,1-20,0 мас.%

от базовой смеси.

2. Основа по п.1, отличающаяся тем, что в качестве кольматирующей добавки она содержит хризотил-асбест, вермикулит или стекловолокно.

3. Основа по п.1, отличающаяся тем, что в качестве регулятора технологических свойств она содержит водоудерживающую добавку: оксиэтилцеллюлозу, карбоксиметилцеллюлозу, полианионную целлюлозу, метилцеллюлозу, метилоксиэтилцеллюлозу, латекс, в количестве 0,1-1% от массы базовой смеси.

4. Основа по п.1, отличающаяся тем, что в качестве регулятора технологических свойств она содержит пластифицирующую добавку: лигносульфонаты, нафталин, меламинсодержащие смолы, нитрилотриметилфосфоновую кислоту или полиэфиркарбоксилат в количестве 0,1-1% от массы базовой смеси.

5. Основа по п.1, отличающаяся тем, что в качестве регулятора технологических свойств она содержит пеногаситель: модифицированный кремнеорганический реагент или смесь жидких углеводородов и полигликолей на аморфной кремниевой кислоте в количестве 0,1 – 0,2% от массы базовой смеси.

6. Основа по п.1, отличающаяся тем, что в качестве регулятора технологических свойств она содержит ускоритель сроков схватывания:

хлорид калия, хлорид натрия, кремнеорганическая добавка, триэтаноламин, оксихлорид алюминия, аморфная окись алюминия, гипс или глиноземистый цемент в количестве 0,1-5,0% от массы базовой смеси.

7. Основа по п.1, отличающаяся тем, что в качестве регулятора технологических свойств она содержит замедлитель сроков схватывания: нитрилотриметилфосфоновую кислоту, полиэфиркарбоксилат или модифицированные лигносульфонаты в количестве 10-20% от массы базовой смеси.

8. Основа по п.1, отличающаяся тем, что в качестве регулятора технологических свойств она содержит расширяющую добавку: оксид кальция, оксид магния или гипс в количестве 0,1-18% от массы базовой смеси.

PD4A – Изменение наименования обладателя патента Российской Федерации на изобретение

(73) Новое наименование патентообладателя:

Общество с ограниченной ответственностью «Пермский научно-исследовательский и проектный институт нефти» (ООО «ПермНИПИнефть») (RU)

Адрес для переписки:

614066, г. Пермь, ул. Советской Армии, 29, ООО «ПермНИПИнефть»

Извещение опубликовано: 10.09.2010 БИ: 25/2010