РЕМОНТНО-ИЗОЛЯЦИОННЫЙ, ТАМПОНАЖНЫЙ СОСТАВ НА ОСНОВЕ МАГНЕЗИАЛЬНЫХ ВЯЖУЩИХ ВЕЩЕСТВ "QUICK-STONE"
REPAIR-INSULATING PACKING COMPOUND BASED ON QUICK-STONE MAGNESITE CEMENTS

Изобретение относится к ремонтно-изоляционным тампонажным составам на основе магнезиальных вяжущих веществ и может быть использовано в нефтяной и газовой промышленности при осуществлении процессов бурения и ремонта нефтяных, газовых и водных скважин с целью ликвидации поглощений промывочной жидкости, ремонтно-изоляционных работ с целью ликвидации водопритоков, а также при цементировании межколонного пространства и обсадных колонн.
Известен тампонажный материал (патент РФ №2295554, дата приоритета 03.02.2006), применяемый при цементировании межколонного пространства и обсадных колонн в интервалах безводной части вскрытого разреза в нефтяных и газовых скважинах в температурном диапазоне 10-30°С со следующим содержанием ингредиентов, мас. %:
Недостатком данного материала является его ограниченное применение, поскольку он предназначен для применения только в интервалах безводной части вскрытого разреза скважин в температурном диапазоне 10-30°С и имеет низкие гидроизолирующие свойства, так как не обеспечивает надежную изоляцию зон поглощений промывочной жидкости в мелко- и крупнопористых, трещиноватых, кавернозных и смешанных породах с интенсивными и катастрофическими поглощениями промывочной жидкости.
Известен тампонажный состав (патент РФ №2293100, дата приоритета 24.10.2005) для изоляции зон поглощений промывочных жидкостей с целью регулирования сроков загустевания и схватывания со следующим содержанием ингредиентов, мас. %:
Недостатками данного состава являются сложность регулирования технологических свойств и сложность прогнозирования времени схватывания материала. Данный состав характеризуется короткими сроками загустевания и схватывания, пониженной седиментационной устойчивостью раствора, значительными снижениями прочностных характеристик в условиях заводненности, недостаточно высокими значениями объемного расширения тампонажного камня.
Известно магнезиальное вяжущее с использованием сульфата магния (патент РФ №2428390, дата приоритета 05.07.2010), применяемое в производстве строительных материалов, изготовлении плит и панелей, а также строительных сухих смесей. Состав обладает повышенной водостойкостью при достаточно высокой прочности и имеет следующее содержание компонентов, мас. %:
Недостатками данного состава являются неприменимость в нефтяной промышленности, сложность регулирования технологических свойств раствора материала, невозможность прогнозировать время схватывания материала.
Известен магнезиальный тампонажный материал (патент РФ №2374293, дата приоритета 04.07.2008), применяемый при цементировании обсадных колонн и установке герметичных и прочных мостов в нефтяных, газовых и газоконденсатных скважинах с максимальной статической температурой до 55°С, со следующим содержанием компонетов, мас. %:
Недостатками данного состава являются сложность регулирования технологических свойств раствора, сложность прогнозирования времени схватывания материала, существенное снижение прочностных характеристик в условиях обводненности.
Наиболее близким аналогом по технической сущности и достигаемому эффекту является термореактивная композиция для обработки скважины (патент Канады №2175144, дата приоритета 26.04.1996) для тампонирования скважин с прогнозируемой температурой схватывания тампонажного камня, содержащей смесь твердых веществ и водную жидкость при следующем компонентном составе, мас. %:
При этом водная жидкость представляет собой солевой раствор, содержащий соль, выбранную из группы, включающей хлорид кальция, хлорид натрия и хлорид магния. Используется в соотношении примерно 1 литр водной жидкости на 1,25 кг твердых веществ.
Недостатками наиболее близкого аналога являются потеря прочностных характеристик во время пребывания материала в водной среде (повсеместно во всех скважинных условиях присутствует водная среда), недостаточный температурный диапазон применения. После недельного пребывания материала в водной среде происходит более чем двукратная потеря прочностных характеристик, что объясняется постепенным растворением химических веществ, которые являются основой состава. Седиментационная неустойчивость полученных растворов (твердая фаза достаточно быстро осаждается в растворе) может привести к тому, что необходимый скважинный интервал, который необходимо перекрыть составом, не будет изолирован из-за осаждения твердой фазы.
Задачей заявленного изобретения является создание ремонтно-изоляционного тампонажного состава на основе магнезиальных вяжущих веществ, нивелирующего недостатки прототипа, а также который в зависимости от количественного содержания входящих в него компонентов позволяет достичь такой технический результат, как: контролируемость времени схватывания ремонтно-изоляционного тампонажного состава на основе магнезиальных вяжущих веществ в различных температурных условиях внутри скважин от минусовых (минус 5°С) температур до 180°С.
Поставленная задача и указанный технический результат в ремонтно-изоляционном тампонажном составе на основе магнезиальных вяжущих веществ, содержащем оксид магния и воду, соответственно решается и достигается тем, что он дополнительно содержит семиводный сульфат магния, гексаметафосфат натрия и нитрилотриметилфосфоновую кислоту при следующем содержании компонентов, мас. %:
Выражая консистенцию раствора в единицах консистенции Вердена (Вс), следует отметить, что профиль схватывания ремонтно-изоляционного тампонажного состава на основе магнезиальных вяжущих веществ, приготовленного с использованием заявленного изобретения, изменяется с моментального схватывания такого тампонажного состава за 3 минуты до 100 Вс (при минимальном содержании гексаметафосфата натрия и нитрилотриметилфосфоновой кислоты). При этом в зависимости от количественного содержания компонентов схватывание регулируется до минут.
Прочность ремонтно-изоляционного тампонажного состава на основе магнезиальных вяжущих веществ, приготовленного с использованием заявленного изобретения, на сжатие составляет 20 МПа, прочность на изгиб 13,5 МПа, то есть заявленный тампонажный состав является эластичным и пластичным.
Для приготовления заявленного ремонтно-изоляционного тампонажного состава на основе магнезиальных вяжущих веществ используют следующие компоненты.
1. Оксид магния (MgO) по ГОСТ 4526-75 «Реактивы. Магний оксид. Технические условия» (с процентным содержанием оксида магния не менее 97%), представляющий собой белый порошок, почти нерастворимый в воде, хорошо растворимый в кислотах. Является твердой фазой структуры заявленного ремонтно-изоляционного тампонажного состава на основе магнезиальных вяжущих веществ и обеспечивает увеличение его прочностных характеристик после затвердевания.
4
2
2. Семиводный сульфат магния (MgSO*7HO) по ГОСТ 4523-77 «Реактивы. Магний сернокислый 7-водный. Технические условия» (с процентным содержанием основного вещества не менее 99%), который представляет собой белый кристаллический порошок, растворимый в воде. Является структурообразователем заявленного ремонтно-изоляционного тампонажного состава на основе магнезиальных вяжущих веществ и обеспечивает его водостойкость после затвердевания.
6
6
18
2
5
3. Гексаметафосфат натрия (NaPO) по ГОСТ 20291-80 «Натрия полифосфат технический. Технические условия» (с процентным содержанием основного вещества в пересчете на РО не менее 61,5%). Является ингибитором и применяется с целью регулирования сроков схватывания заявленного ремонтно-изоляционного тампонажного состава на основе магнезиальных вяжущих веществ. Увеличение содержания гексаметафосфата натрия оказывает линейное влияние на сроки схватывания, то есть при увеличении процентного содержания сроки схватывания увеличиваются пропорционально и имеют линейную зависимость.
3
12
9
3
4. Нитрилотриметилфосфоновая кислота (CHNOP), например, производства ОАО «Химпром» (Чувашская Республика) по ТУ 2439-347-05763441-2001 (с процентным содержанием основного вещества не менее 90%). Является ингибитором и применяется с целью регулирования сроков схватывания заявленного ремонтно-изоляционного тампонажного состава на основе магнезиальных вяжущих веществ при высоких температурах внутри скважины. Увеличение в зависимости от температуры внутри скважины содержания нитрилотриметилфосфоновой кислоты оказывает линейное влияние на сроки схватывания, то есть при увеличении процентного содержания сроки схватывания увеличиваются пропорционально и имеют линейную зависимость.
В зависимости от скважинных условий (глубина интервала(-ов), температура, давление, литологические и стратиграфические данные и др.) и вида скважинных работ (ликвидация поглощения промывочной жидкости, ремонтно-изоляционные работы и др.) требуется достижение различных характеристик заявленного ремонтно-изоляционного тампонажного состава на основе магнезиальных вяжущих веществ, а именно: высокая прочность на сжатие, высокая прочность материала на изгиб, устойчивость материала при воздействии водной среды и температуры.
В связи с этим количественное содержание компонентов заявленного ремонтно-изоляционного тампонажного состава на основе магнезиальных вяжущих веществ может быть изменено в пределах указанных диапазонов значений, таким образом, чтобы получить у него те или иные необходимые эксплуатационные характеристики.
Например, для условий, где требуются высокие прочностные характеристики на сжатие, и не важны прочностные характеристики на изгиб (например: перекрывающий (изоляционный) мост, некоторые виды ремонтно-изоляционных работ (РИР)), а также преобладают высокие температуры внутри скважин (например, от 65°С до 180°С), компонентный состав заявленного ремонтно-изоляционного тампонажного состава на основе магнезиальных вяжущих веществ может иметь следующие диапазоны значений, масс. %:
А для условий, где требуются высокие прочностные характеристики на изгиб (борьба с заколонными перетоками), а также преобладают низкие температуры внутри скважин (например, от минус 5°С до 65°С), компонентный состав заявленного ремонтно-изоляционного тампонажного состава на основе магнезиальных вяжущих веществ может иметь следующие диапазоны значений, масс. %:
Ниже приведены примеры реализации заявленного ремонтно-изоляционного тампонажного состава на основе магнезиальных вяжущих веществ при проведении РИР на различных скважинах, с различными условиями, в том числе температурными.
Для приготовления заявленного ремонтно-изоляционного тампонажного состава на основе магнезиальных вяжущих веществ применяли следующее оборудование: емкость с перемешивателями, например, УСО-16, цементировочный агрегат ЦА-320, установка смесительная, например, УС6-30.
Приготовление заявленного ремонтно-изоляционного тампонажного состава на основе магнезиальных вяжущих веществ осуществляли простым перемешиванием посредством указанного выше оборудования при атмосферном давлении и температуре, соответствующей температуре окружающей среды.
Сначала добавляли в воду оксид магния и перемешивали в течение 5-10 мин. Потом семиводный сульфат магния и перемешивали в течение 15-20 мин. Далее гексаметафосфат натрия и перемешивали в течение 15-20 мин. И в завершение нитрилотриметилфосфоновую кислоту и перемешивали в течение 15-20 мин.
Пример 1.
Территория, место применения: Ставропольский край, Азык-Сулатское месторождение.
Характеристика, описание скважины:
- Глубина интервала негерметичности 2205-2210 м по данным геофизических исследований (ГИС).
- Эксплуатационная колонна диаметром 146 мм.
3
- Приемистость пласта в указанном интервале составляет 60 м/сут по воде.
Цель применения (решаемая проблема) - провести РИР с низкой приемистостью пласта, спрогнозировать и достичь схватывания заявленного ремонтно-изоляционного тампонажного состава на основе магнезиальных вяжущих веществ после 6 часов при температуре 100°С, в условиях обводненности скважины.
Состав заявленного ремонтно-изоляционного тампонажного состава на основе магнезиальных вяжущих веществ: оксид магния - 50,2%, семиводный сульфат магния - 14,89%, вода - 33,11%, гексаметафосфат натрия - 0,8%, нитрилотриметилфосфоновая кислота - 1,0%.
На фиг.1 показана зависимость схватывания заявленного ремонтно-изоляционного тампонажного состава на основе магнезиальных вяжущих веществ по примеру 1 при различных температурах и в различных временных диапазонах.
Как видно из графика, схватывание заявленного ремонтно-изоляционного тампонажного состава на основе магнезиальных вяжущих веществ при 100°С произошло после 6 часов (нижняя линия).
Пример 2.
Территория, место применения: Западная Сибирь, скв. 2063Л, куст №27 Ватьеганского месторождения.
Характеристика, описание скважины:
- Эксплуатационная колонна диаметром 146 мм спущена на глубину 2225 м, на глубине 1883 м произведена вырезка окна.
- Диаметр бокового ствола 123,8 мм.
- Интервал установки материала: 2500-2668 м по стволу.
- Скважина заполнена технической водой.
пл
- Давление пластовое Р - 183,5 атм.
пл
- Температура пластовая Т, рассчитанная по градиенту в условиях месторождения 90°С.
Цель применения (решаемая проблема) - ликвидировать поглощение бурового раствора, спрогнозировать и достичь схватывания заявленного ремонтно-изоляционного тампонажного состава на основе магнезиальных вяжущих веществ после 90 минут при температуре 90°С в условиях пластовых вод.
Состав заявленного ремонтно-изоляционного тампонажного состава на основе магнезиальных вяжущих веществ: оксид магния - 48,34%, семиводный сульфат магния - 16,73%, вода 33,09%, гексаметафосфат натрия - 0,73%, нитрилотриметилфосфоновая кислота - 1,11%.
На фиг. 2 показана зависимость схватывания заявленного ремонтно-изоляционного тампонажного состава на основе магнезиальных вяжущих веществ по примеру 2 при различных температурах и в различных временных диапазонах.
Как видно из графика, схватывание материала при 90°С произошло после 90 минут (нижняя линия).
Пример 3.
Территория, место применения: Ставропольский край, Пушкарское месторождение.
Характеристика, описание скважины:
- Глубина интервала негерметичности 3000-3100 м по данным ГИС.
- Эксплуатационная колонна диаметром 146 мм.
3
- Приемистость 300 м/сут по воде.
Цель применения (решаемая проблема) - провести РИР с высокой приемистостью пласта, спрогнозировать и достичь схватывания заявленного ремонтно-изоляционного тампонажного состава на основе магнезиальных вяжущих веществ после 50 минут при температуре 130°С в условиях обводненности скважины.
Состав заявленного ремонтно-изоляционного тампонажного состава на основе магнезиальных вяжущих веществ: оксид магния - 44,71%; семиводный сульфат магния - 19,16%, вода - 34,59%, гексаметафосфат натрия - 0,4%, нитрилотриметилфосфоновая кислота - 1,14%.
На фиг. 3 показана зависимость схватывания заявленного ремонтно-изоляционного тампонажного состава на основе магнезиальных вяжущих веществ по примеру 3 при различных температурах и в различных временных диапазонах.
Как видно из графика, схватывание заявленного ремонтно-изоляционного тампонажного состава на основе магнезиальных вяжущих веществ при 130°С произошло после 50 минут (нижняя линия).
Пример 4.
Территория, место применения: Оренбургское нефтегазоконденсатное месторождение.
Характеристика, описание скважины:
- Интервал залегания продуктивного пласта 2050-2180 м (по стволу).
- Диаметр ствола 215,9 мм (открытый ствол).
3
- Скважина заполнена рассолом на основе NaCl плотностью 1,14 г/см.
Цель применения (решаемая проблема) - глушение скважины, спрогнозировать и достичь схватывания заявленного ремонтно-изоляционного тампонажного состава на основе магнезиальных вяжущих веществ после 54 минут при температуре 40°С в условиях обводненности скважины.
Состав заявленного ремонтно-изоляционного тампонажного состава на основе магнезиальных вяжущих веществ: оксид магния - 53,24%; семиводный сульфат магния - 15,12%, вода - 30,24%, гексаметафосфат натрия - 1,2%, нитрилотриметилфосфоновая кислота - 0,2%.
На фиг. 4 показана зависимость схватывания заявленного ремонтно-изоляционного тампонажного состава на основе магнезиальных вяжущих веществ по примеру 4 при различных температурах и в различных временных диапазонах.
Как видно из графика, схватывание заявленного ремонтно-изоляционного тампонажного состава на основе магнезиальных вяжущих веществ при 40°С произошло после 54 минут (нижняя линия).
Пример 5.
Территория, место применения: Ненецкий автономный округ, Северо-Сарембойское месторождение.
Характеристика, описание скважины:
- Глубина скважины 150 м;
- Диаметр ствола 490 мм (открытый ствол);
- Скважина заполнена буровым раствором.
Цель применения (решаемая проблема) - ликвидировать поглощение бурового раствора, спрогнозировать и достичь схватывания заявленного ремонтно-изоляционного тампонажного состава на основе магнезиальных вяжущих веществ после 34 минут при температуре минус 5°С.
Состав заявленного ремонтно-изоляционного тампонажного состава на основе магнезиальных вяжущих веществ: оксид магния - 55,34%, семиводный сульфат магния - 14,99%, вода 29,47%, гексаметафосфат натрия -0,1%, нитрилотриметилфосфоновая кислота - 0,1%.
Сроки схватывания контролируются соотношением содержания твердой фазы, т.е. повышением либо понижением содержания оксида магния по отношению к семиводному сульфату магния, на таких низких температурах ингибиторы используются в предельно малых количествах.
На фиг. 5 показана зависимость схватывания заявленного ремонтно-изоляционного тампонажного состава на основе магнезиальных вяжущих веществ по примеру 5 при различных температурах и в различных временных диапазонах.
Как видно из графика, схватывание заявленного ремонтно-изоляционного тампонажного состава на основе магнезиальных вяжущих веществ при минус 5°С произошло после 34 минут (нижняя линия).
Пример 6.
Территория, место применения: Ставропольский край, месторождение Пушкарское.
Характеристика, описание скважины:
- Глубина 3700 м.
- Эксплуатационная колонна диаметром 146 мм.
- Скважина заполнена технической водой.
3
- Приемистость 330 м/сут по воде.
Цель применения (решаемая проблема) - РИР, спрогнозировать и достичь схватывания заявленного ремонтно-изоляционного тампонажного состава на основе магнезиальных вяжущих веществ после 90 минут при температуре 180°С.
Состав заявленного ремонтно-изоляционного тампонажного состава на основе магнезиальных вяжущих веществ: оксид магния - 45,10%, семиводный сульфат магния - 18,28%, вода - 34,48%, гексаметафосфат натрия - 1,0%, нитрилотриметилфосфоновая кислота - 1,14%.
На фиг. 6 показана зависимость схватывания заявленного ремонтно-изоляционного тампонажного состава на основе магнезиальных вяжущих веществ при различных температурах и в различных временных диапазонах.
Как видно из графика, схватывание заявленного ремонтно-изоляционного тампонажного состава на основе магнезиальных вяжущих веществ при 180°С произошло после 90 минут (нижняя линия).
При этом, анализируя графики на фиг. 1-6, следует отметить, что верхняя линия на них показывает увеличение температуры тестирования с комнатной температуры до необходимой температуры, а нижняя линия показывает изменение консистенции материала с течением времени под действием температуры.
В таблице приведены эксплуатационные характеристики заявленного ремонтно-изоляционного тампонажного состава на основе магнезиальных вяжущих веществ в соответствии с вышеприведенными примерами.
При этом представленные характеристики определялись по ГОСТ 310.4-81 «Цементы. Методы определения предела прочности при изгибе и сжатии».
Полученные результаты по изменению прочности заявленного ремонтно-изоляционного тампонажного состава на основе магнезиальных вяжущих веществ в водной среде на сжатие и изгиб рассчитывались разницей между прочностями указанного состава в водной среде по прошествии 7 суток и в воздушной среде по прошествии 24 часов.
Все РИР с применением заявленного ремонтно-изоляционного тампонажного состава на основе магнезиальных вяжущих веществ выполнены успешно, а при проведении РИР по установке мостов, обнаружение моста происходило всегда в указанном интервале.
Однако следует отметить следующее.
Опытно-экспериментальным путем установлено, что контролируемость времени схватывания заявленного ремонтно-изоляционного тампонажного состава на основе магнезиальных вяжущих веществ внутри скважин от минусовых (минус 5°С) температур до 180°С, при температурах, превышающих указанные пределы, достичь не представляется возможным.
В этой связи заявленный ремонтно-изоляционный тампонажный состав на основе магнезиальных вяжущих веществ обеспечивает указанный технический результат только в данном температурном диапазоне.
При этом также установлено, что именно совместное применение гексаметафосфата натрия и нитрилотриметилфосфоновой кислоты в заявленных диапазонах их значений позволяет обеспечить достижение указанного технического результата, поскольку также установлена следующая зависимость: чем меньше температура внутри скважины в рамках отмеченного температурного диапазона, тем больше следует добавлять гексаметафосфат натрия и меньше нитрилотриметилфосфоновой кислоты. А при больших значениях температур внутри скважины установленная зависимость приобретает обратный характер, а именно: чем больше температура внутри скважины в рамках отмеченного температурного диапазона, тем меньше следует добавлять гексаметафосфат натрия и больше нитрилотриметилфосфоновой кислоты.
Данная зависимость подтверждается вышеприведенными примерами, а также графиком, представленным на фиг. 7, где:
1 - рост температуры внутри скважины в диапазоне от минус 5°С до 180°С;
2 - изменение содержания гексаметафосфата натрия в диапазоне 0,1-2,7 мас.%;
3 - изменение содержания нитрилотриметилфосфоновой кислоты в диапазоне 0,1-1,14 мас.%.
Следует также отметить, что заявленный ремонтно-изоляционный тампонажный состав на основе магнезиальных вяжущих веществ обладает повышенной седиментационной устойчивостью в сравнении с другими магнезиальными цементами на основе оксида магния и хлорида магния, что особенно важно при установке цементных мостов и многих РИР.