ТАМПОНАЖНЫЙ ЦЕМЕНТНЫЙ РАСТВОР СЕЛЕКТИВНОГО ДЕЙСТВИЯ
BACKFILLING CEMENT GROUT OF SELECTIVE ACTION

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к способам герметизации затрубного и межтрубного пространства, устранения межпластовых перетоков в скважинах с близко расположенным водонефтяным контактом, и может быть использовано при проведении ремонтно-изоляционных работ (РИР) в процессе добычи нефти.
Изобретение также может быть использовано на этапе подготовки продуктивной толщи к спуску обсадной колонны и ее цементированию при заканчивании скважин. Этот этап включает изоляционные работы в водоносных пластах, близко расположенных к продуктивной толще.
Широко известны водоизоляционные материалы на основе минеральных и органических вяжущих веществ, предназначенные для цементирования нефтяных и газовых скважин в различных геологических условиях и для проведения различного рода РИР / В.И.Костырин, «Тампонажные материалы и химреагенты». - М.: «Недра», 1989, с. 9-50/.
Для повышения качества тампонажного раствора за счет снижения фильтрационных процессов, для повышения прочностных и изоляционных характеристик отвержденного цементного камня, увеличения термостабильности и коррозионной стойкости разработаны многочисленные специальные цементы и тампонажные составы, применяемые в практике цементирования скважин. Помимо цемента тампонажные композиции содержат полимеры (фенольные и эпоксидные смолы, полиакриламид, силикат натрия, катионоактивный латекс и др.). Нашли также применение полимерцементные, гипсополимерные и гипаноцементные смеси, характеризующиеся высокими структурно-механическими свойствами / Е.М.Соловьев, «Заканчивание скважин». - М.: «Недра», 1979, с.180-209/.
Все указанные тампонажные составы имеют один существенный недостаток - они не обладают селективным действием, т.е. отверждение таких смесей происходит как в водной, так и в нефтяной фазах.
Наиболее близкими к заявляемому тампонажному составу по назначению и совокупности существенных признаков являются принятые нами за прототип нефтецементные растворы, представляющие собой суспензионные смеси, состоящие из портландцемента, углеводорода (нефть, керосин, дизельное топливо) и ПАВ /«Цементные и тампонажные смеси, применяемые за рубежом». Обзор зарубежной литературы.- М.: ВНИИОЭНГ, 1977, с. 69/.
Такие смеси обладают избирательным действием: они не твердеют в среде, содержащей нефть, схватывание и затвердевание таких смесей возможно только в водной среде или в среде со значительным содержанием воды. Нефтецементная смесь после попадания в водосодержащую среду быстро абсорбирует воду, превращаясь вначале в густую пасту, а затем в малопроницаемый цементный камень.
Недостатком известного нефтецементного состава является то, что прочность цементного камня, образующегося после энергичного перемешивания нефтецементной смеси с пластовой водой, в значительной степени зависит от объема выделившегося при этом нефтепродукта, т.е. от степени замещения в композиции углеводорода. Чем больше углеводорода выделяется при взаимодействии с водой, тем прочнее становится отвержденный цементный камень. Введение в композицию ПАВ улучшает стабильность суспензии цемента, затворенного на углеводороде, но снижает степень замещения углеводорода водой.
Целью настоящего изобретения является разработка тампонажного состава на цементной основе, обладающего селективным действием и способностью к полному замещению жидкой фазы при взаимодействии с пластовой водой, что позволяет достичь прочностных характеристик, присущих традиционным водоцементным составам.
Поставленная цель достигается тем, что известный тампонажный раствор для эксплуатационных скважин, содержащий в качестве основы портландцемент, органический растворитель и маслорастворимое поверхностно-активное вещество, содержит органический растворитель, совместимый с водой и с нефтью, и дополнительно водорастворимое ПАВ, понизитель водоотдачи типа CFL и адгезионную добавку - Конкрепол при следующем соотношении компонентов, вес.ч.:
- портландцемент
100
- указанный растворитель
32-40
- маслорастворимое ПАВ
0,5-1,0
- водорастворимое ПАВ
0,5-1,0
- указанный понизитель водоотдачи
0,5-1,0
- Конкрепол
1,0
В качестве жидкой фазы такой органоцементной композиции были выбраны соединения класса спиртов: изопропиловый, метиловый спирты, бутилцеллозольв, этиленгликоль. Эти растворители хорошо смешиваются и с водой, и с нефтью. Применение в композиции вместо углеводорода таких спиртов обеспечивает более легкое и полное их вытеснение при взаимодействии тампонажного состава с водой.
Применение маслорастворимых и водорастворимых ПАВ в составе обеспечивает подвижность (растекаемость) и стабильность суспензии, затворенной на органическом растворителе. При выборе водорастворимых ПАВ особое внимание было уделено веществам, способным растворяться также и в углеводороде.
Для снижения показателя фильтрации тампонажного раствора и увеличения адгезии цементного камня в композицию введены водорастворимые полимерные добавки нелатексного типа - CFL-117 или CFL-110 и Конкрепол.
Как можно предположить, вытеснение жидкой фазы и замена ее на воду в таких цементных суспензиях будет протекать более легко вследствие образования на цементной частице защитной пленки ПАВ, в силу своей природы легко смываемой водой. Однако все попытки подобрать ПАВы, хорошо растворимые как в воде, так и в нефти, не увенчались успехом, поэтому при разработке заявляемого тампонажного раствора были использованы маслорастворимые и водорастворимые поверхностно-активные вещества.
Рассматриваемая в работе классификация ПАВ на водо - и на маслорастворимые определяется условиями их применения. При разработке органоцементной тампонажной композиции удобнее классифицировать ПАВ по их физическим свойствам, например, по растворимости, а не на основе различий в их строении, т.е. не по природе гидрофильных групп и гидрофобных радикалов.
Способ приготовления тампонажного раствора заключается в следующем: в навеску бутилцеллозольва (или другого растворителя) добавляют 0,5 вес.ч. (по отношению к исходному цементу) маслорастворимого ПАВ (например, Нефтенол-НЗ, Синол-ЭМ и др.) и 0,5 вес.ч. водорастворимого ПАВ (например, МЛ-80, МЛ-81Б, Нефтенол-ВВД и др.). В смесь также добавляют понизитель водоотдачи типа CFL-117, затворенный в 10-кратном объеме этиленгликоля, и адгезионную добавку Конкрепол. После этого смесь перемешивают в течение 0,5 ч. Образовавшийся гомогенный раствор используют для затворения цемента, выдерживая соотношение органический растворитель: цемент (ОР/Ц) в пределах 0,32-0,40 для получения подвижной суспензионной смеси (растекаемость по АзНИИ в пределах 180-250 мм).
Для заявляемого тампонажного раствора в лабораторных условиях были использованы следующие вещества:
1. Тампонажный портландцемент ГОСТ 1581-91 марки ПЦТ ДО-100 Сухоложского цементного завода.
2. Бутилцеллозольв (ТУ 6-01-646-84).
3. Изопропиловый спирт (ГОСТ 9805-84).
4. Этиленгликоль (ГОСТ 19710-83).
5. Понизители водоотдачи американской фирмы Сlearwater Engineered Chemistry:
6
6
- CFL-117 - высокомолекулярный (5,0·10 - 5,8·10) полиоксиэтилен (Техническая информация Clearwater, Сертификат ISO 9001, Houston, Texas 77027 от 2003 г.);
- CFL-110 - водорастворимый порошок, состоящий из производных полисахаридов и содержащий крахмал (Санитарно-эпидемиологическое заключение № 77.01.03.249.П.107668.12.08 от 26.12.2008).
6. Адгезионная добавка Конкрепол - водно-полимерная система поли-N-виниламида (Сертификат соответствия № ТЭК RU, ХП 06.Н00832, Свидетельство № РОСС RU.0001.03ЮЛ00).
7. Поверхностно-активные вещества:
- Синол-ЭМ (ТУ 2413-048-48482528-98) - 40%-ный раствор сложных эфиров высших ненасыщенных кислот жирного ряда и смоляных кислот в дизельном топливе;
- Нефтенол-НЗ (ТУ 2483-016-17197708-97) - углеводородный раствор сложных эфиров олеиновой, линолевой, линоленовой, а также смоляных кислот;
- Нефтенол-ВВД (ТУ 2483-015-17197708-97) - смесь водорастворимых оксиэтилированных алкилфенолов и их сульфоэтоксилатов;
- МЛ-80, МЛ-81Б (ТУ 2481-007-48482528-99) - многокомпонентная смесь анионных и неионогенных ПАВ и этиленгликоля (летняя и зимняя формы).
Цементные суспензии, замешанные на органических растворителях, совместимых и с водой, и с нефтью, обладают всеми преимуществами нефтецементных суспензий, а именно:
- селективностью действия;
- низким показателем фильтрации;
- высокой стабильностью и седиментационной устойчивостью;
- низкой вязкостью и хорошей растекаемостью;
- высокими прочностными и изоляционными свойствами отвержденного тампонажного камня.
Кроме того, к преимуществу суспензий типа ОР/Ц по сравнению с нефтецементными суспензиями относится их способность при взаимодействии с водой полностью замещать органическую фазу на воду, благодаря чему сохраняются высокие прочностные характеристики тампонажного камня в процессе его гидратации.
При изучении свойств цементных суспензий определялись следующие параметры:
- удельный вес на рычажных весах;
- растекаемость по кругу АзНИИ;
- вытеснение углеводородной фазы из цементной суспензии водой на воронке Бюхнера при давлении 0,1 МПа;
- показатель фильтрации на ВМ-6;
- прочность цементного камня на сжатие стандартным методом на прессе.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется следующими примерами.
Примеры 1-5.
При установлении влияния природы растворителя в цементных суспензиях на степень вытеснения водой жидкой фазы и на механическую прочность отвержденного цементного камня тампонажный раствор готовили следующим образом. К 64 г бутилцеллозольва добавили 1 мл маслорастворимого эмульгатора (Синол-ЭМ, Нефтенол-НЗ) и 1 мл водорастворимого эмульгатора (Нефтенола-ВВД, МЛ-80, МЛ-81Б) и после перемешивания в течение 0,5 ч к смеси добавили 200 г цемента. После получасового смешения получили состав со следующим содержанием ингредиентов (вес.ч. по отношению к цементу):
- цемент - 100;
- бутилцеллозольв - 32,
- маслорастворимый эмульгатор - 0,5;
- водорастворимый эмульгатор - 0,5.
Представленные в таблице 1 составы не содержат полимерных добавок (CFL-117 и Конкрепол), т.к. предварительными исследованиями было установлено, что они не оказывают практически никакого влияния на количество выделившейся жидкой фазы при замещении водой и на предельное напряжение при сжатии.
Параллельно для сравнения прочностных свойств отвержденного цементного камня были приготовлены стандартный цементный раствор с водоцементным отношением (В/Ц) 0,42 и нефтецементный раствор по прототипу с соотношением ДТ/В 0,34.
Полученные характеристики цементных суспензий, затворенных на растворителях различной химической природы, представлены в таблице 1.
Как видно из таблицы 1, замена дизельного топлива в нефтецементном растворе на бутилцеллозольв (пример 3) в процессе взаимодействия с водой позволяет полностью заместить органический растворитель на воду. В этих же условиях количество выделившегося углеводорода в примере 2 (прототип) не превышает 70%. В результате неполного замещения происходит резкое снижение (приблизительно в 2 раза) прочностных характеристик отвержденного тампонажного камня.
Применение спиртов (примеры 4, 5) в качестве растворителей в тампонажном составе обеспечивает полное замещение органических соединений при взаимодействии с водой. Необходимо отметить, что прочностные характеристики отвержденных цементных составов в примерах 3-5 практически не уступают контрольному опыту (пример 1) и значительно превосходят по прочности на сжатие образцов, полученных по прототипу (пример 2).
Проведенные исследования по установлению влияния природы жидкой фазы на структурно-реологические характеристики цементных суспензий показывают, что применение в качестве ЖФ органических растворителей, совместимых как с водой, так и с нефтью, позволяет:
- при взаимодействии с водой провести полное замещение ЖФ, обеспечивая при этом необходимые условия для последующей гидратации цемента;
- замена углеводорода в нефтецементной композиции на алифатический спирт позволяет достичь высоких прочностных показателей отвержденного цементного камня, соизмеримых с показателями традиционных водоцементных составов;
- применение в заявляемом тампонажном растворе водо- и нефтерастворимых ПАВ позволяет достичь необходимой подвижности цементной суспензии (по АзНИИ 180-250 мм), обеспечивающей ее высокую прокачиваемость при проведении РИР в эксплуатационных скважинах.
Примеры 6-13.
При определении показателя фильтрации цементного раствора и адгезии отвержденного цементного камня в приготавливаемый аналогично примерам 3-5 состав перед добавлением цемента вводили понизитель водоотдачи CFL-117 или CFL-110, затворенный в 10-кратном объеме этиленгликоля, и адгезионную добавку Конкрепол.
В таблице 2 приведены данные по влиянию понизителя водоотдачи на показатель фильтрации раствора и по влиянию адгезионной добавки Конкрепол на адгезию отвержденного камня к металлу. Полученные данные сравнивались с результатами прототипа (пример 6) и "холостого" опыта, тампонажный состав которого не содержал полимерных добавок (пример 7).
Из таблицы 2 видно, что введение в тампонажный раствор понизителя водоотдачи типа CFL в количестве 0,5-1,0 вес.ч. по отношению к цементу на два порядка снижает показатель фильтрации цементного раствора (сравн.опыты 7,8). Снижение концентрации CFL-117 до 0,4 вес.ч. по отношению к цементу является нежелательным, так как это приводит к заметному увеличению показателя фильтрации (пример 9). Увеличение концентрации выбранного понизителя водоотдачи в цементной суспензии больше 1,0 вес.ч. (пример 10) не приводит к заметному снижению показателя фильтрации раствора.
Присутствие в композиции полимерной добавки Конкрепол увеличивает адгезию отвержденного цементного камня приблизительно в 2 раза (сравн. примеры 7,8). Как видно из примеров 8, 11-13, выбранные интервалы концентрации Конкрепола 0,5-1,0 являются оптимальными и позволяют увеличить адгезию цементного камня в 2-2,5 раза по отношению к прототипу.
Данные растворы могут найти применение для проведения следующих операций:
- изоляция зон поглощения бурового раствора и зон водопроявлений в скважине;
- ликвидация негерметичности обсадных колонн;
- закупоривание каналов перетока, образовавшихся на отдельных участках между обсадными трубами и цементным камнем;
- изоляция водоносных поглощающих пластов, примыкающих к объекту эксплуатации.
Наиболее эффективно разработанный тампонажный состав может найти применение при проведении изоляционных работ в скважинах с высокой температурой (>80°С), когда резко возрастает риск преждевременного отверждения цементного раствора в стволе скважины.